Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Phạm Đăng Hải

74 trang Gia Huy 16/05/2022 4140

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Phạm Đăng Hải", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_nguyen_ly_he_dieu_hanh_chuong_2_quan_ly_tien_trinh.pdf

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Phạm Đăng Hải

Hệ điều hành Notes NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Phạm Đăng Hải haipd@soict.hust.edu.vn Bộ môn Khoa học Máy tính Viện Công nghệ Thông tin & Truyền Thông 1 / 220 Ngày 14 tháng 2 năm 2020 Chương 2: Quản lý tiến trình Notes Chương 2 Quản lý tiến trình 2 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình Notes Giới thiệu Khi chương trình đang thực hiện Được cung cấp tài nguyên (CPU, bộ nhớ, thiết bị vào/ra ) để hoàn thành công việc Tài nguyên được cấp khi bắt đầu chương trình hay trong khi chương trình đang thực hiện Gọi là tiến trình (process) Hệ thống bao gồm tập các tiến trình thực hiện đồng thời Tiến trình hệ điều hành Thực hiện mã lệnh hệ thống Tiến trình người dùng Thực hiện mã lệnh người dùng Tiến trình có thể chứa một hoặc nhiều luồng điều khiển Trách nhiệm của Hệ điều hành: Đảm bảo họat động của tiến trình và tiểu trình (luồng) Tạo/xóa tiến trình (người dùng, hệ thống) Điều phối tiến trình Cung cấp cơ chế đồng bộ, truyền thông và ngăn ngừa tình trạng bế tắc giữa các tiến trình 3 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình Notes Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 4 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình Notes Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 5 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 6 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Tiến trình Trạng thái hệ thống Vi xử lý: Giá trị các thanh ghi Bộ nhớ: Nội dung các ô nhớ Thiết bị ngoại vi: Trạng thái thiết bị Thực hiện chương trình ⇒Trạng thái hệ thống thay đổi Thay đổi rời rạc, theo từng câu lệnh được thực hiện q0 q1 q2 qn Tiến trình là một dãy thay đổi trạng thái của hệ thống Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện theo yêu cầu nằm trong chương trình của người sử dụng Xuất phát từ một trạng thái ban đầu §Tiến trình là sự thực hiện chương trình ¤ 7 / 220 ¦ ¥ Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Tiến trình >< chương trình Chương trình: thực thể thụ động (nội dung file trên đĩa) Mã chương trình: Lệnh máy (CD2190EA ) Dữ liệu: Biến được lưu trữ và sử dụng trong bộ nhớ Biến toàn cục Biến được cung cấp động (malloc, new, ) Biến stack (tham số hàm, biến cục bộ ) Thư viện liên kết động (DLL) Không được dịch & liên kết cùng với chương trình Khi chương trình đang thực hiện, tài nguyên tối thiểu cần có Bộ nhớ cho mã chương trình và dữ liệu Các thanh ghi của VXL phục vụ cho quá trình thực hiện Tiến trình: thực thể chủ động (bộ đếm lệnh, tập tài nguyên) Một chương trình có thể Chỉ là một phần của trạng thái tiến trình Một chương trình, nhiều tiến trình( bộ dữ liệu khác nhau) gcc hello.c k gcc baitap.c Gọi tới nhiều tiến trình 8 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Dịch và thực hiên một chương trình 9 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Thực hiện một chương trình Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó Bộ thực hiện (loader/exec) Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file) Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu từ file thực thi Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào stack Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm "_start()"(hàm của hệ điều hành) Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới hàm main()(hàm của chương trình) ⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương trình" nữa Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến trình và thu hồi tài nguyên Tiến trình là chương trình đang thực hiện 10 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Trạng thái tiến trình Khi thực hiện, tiến trình thay đổi trạng thái Khởi tạo (New) Tiến trình đang được khởi tạo Sẵn sàng (Ready) Tiến trình đang đợi sử dụng processor vật lý Thực hiện (Running) Các câu lệnh của tiến trình đang được thực hiện Chờ đợi (Waiting) Tiến trình đang chờ đợi một sự kiện nào đó xuất hiện (sự hoàn thành thao tác vào/ra) Kết thúc (Terminated) Tiến trình thực hiện xong Trạng thái của tiến trình là một phần trong hoạt động hiện tại của tiến trình 11 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Lưu đồ thay đổi trạng thái tiến trình (Silberschatz 2002) Hệ thống có một processor Có duy nhất một tiến trình ở trạng thái thực hiện Có thể có nhiều tiến trình ở trạng thái chờ đợi hoặc sẵn sàng 12 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Khối điều khiển tiến trình (PCB: Process Control Block) Mỗi tiến trình được thể hiện trong hệ thống bởi một khối điều khiển tiến trình PCB: cấu trúc thông tin cho phép xác định duy nhất một tt Trạng thái tiến trình Bộ đếm lệnh Các thanh ghi của CPU Thông tin dùng để điều phối tiến trình Thông tin quản lý bộ nhớ Thông tin tài nguyên có thể sử dụng Thông tin thống kê Con trỏ tới một PCB khác 13 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Danh sách tiến trình tail head 14 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.1 Khái niệm tiến trình Notes Tiến trình đơn luồng và tiến trình đa luồng Tiến trình đơn luồng : Là chương trình thực hiện chỉ một luồng thực thi Có một luồng câu lệnh thực thi ⇒ Cho phép thực hiện chỉ một nhiệm vụ tại một thời điểm Tiến trình đa luồng : Là tiến trình có nhiều luồng thực thi ⇒ Cho phép thực hiện nhiều hơn một nhiệm vụ tại một thời điểm 15 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 16 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Giới thiệu Mục đích Sử dụng tối đa thời gian của CPU ⇒ Cần có nhiều tiến trình trong hệ thống Vấn đề Luân chuyển CPU giữa các tiến trình ⇒ Phải có hàng đợi cho các tiến trình Hệ thống một processor ⇒ Một tiến trình thực hiện ⇒ Các tiến trình khác phải đợi tới khi CPU tự do 17 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Các hàng đợi tiến trìnhI Hệ thống có nhiều hàng đợi dành cho tiến trình Job-queue Tập các tiến trình trong hệ thống Ready-Queue Tập các tiến trình tồn tại trong bộ nhớ, đang sẵn sàng và chờ đợi để được thực hiện Device queues Tập các tiến trình đang chờ đợi một thiết bị vào ra. Phân biệt hàng đợi cho từng thiết bị 18 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Các hàng đợi tiến trình II Các tiến trình di chuyển giữa hàng đợi khác nhau Tiến trình mới tạo, được đặt trong hàng đợi sẵn sàng, và đợi cho tới khi được lựa chọn để thực hiện 19 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Các hàng đợi tiến trình III Tiến trình đã được chọn và đang thực hiên 1 Đưa ra một yêu cầu vào ra: đợi trong một hàng đợi thiết bị 2 Tạo một tiến trình con và đợi tiến trình con kết thúc 3 Hết thời gian sử dụng CPU, phải quay lại hàng đợi sẵn sàng Trường hợp (1&2) sau khi sự kiện chờ đợi hoàn thành, Tiến trình sẽ chuyển từ trạng thái đợi sang trạng thái sẵn sàng Tiến trình quay lại hàng đợi sẵn sàng Tiến trình tiếp tục chu kỳ (sẵn sàng, thực hiện, chờ đợi) cho tới khi kết thúc Xóa khỏi tất cả các hàng đợi PCB và tài nguyên đã cấp được giải phóng 20 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Bộ điều phối (Scheduler) Lựa chọn tiến trình trong các hàng đợi Điều phối công việc (Job scheduler; Long-term scheduler) Điều phối CPU (CPU scheduler; Short-term scheduler) 21 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Điều phối công việc Chọn các tiến trình từ hàng đợi tiến trình được lưu trong các vùng đệm (đĩa từ) và đưa vào bộ nhớ để thực hiện Thực hiện không thường xuyên (đơn vị giây/phút) Điều khiển mức độ đa chương trình (số t/trình trong bộ nhớ ) Khi mức độ đa chương trình ổn định, điều phối công việc được gọi chỉ khi có tiến trình rời khỏi hệ thống Vấn đề lựa chọn công việc Tiến trình thiên về vào/ra: sử dụng ít thời gian CPU Tiến trình thiên về tính toán: sử dụng nhiều thời gian CPU Cần lựa chọn lẫn cả 2 loại tiến tình ⇒ tt vào ra: hàng đợi sẵn sàng rỗng, lãng phí CPU ⇒ tt tính toán: hàng đợi thiết bị rỗng, lãng phí thiết bị 22 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Điều phối CPU Lựa chọn một tiến trình từ hàng đợi các tiến trình đang sẵn sàng thực hiện và phân phối CPU cho nó Được thực hiện thường xuyên (VD: 100ms/lần) Tiến trình thực hiện vài ms rồi thực hiện vào ra Lựa chọn tiến trình mới, đang sẵn sàng Phải thực hiện nhanh 10ms để quyết định ⇒10/(110)=9% thời gian CPU lãng phí Vấn đề luân chuyển CPU từ tiến trình này tới tiến trình khác Phải lưu trạng thái của tiến trình cũ (PCB) và khôi phục trạng thái cho tiến trình mới Thời gian luân chuyển là lãng phí Có thể được hỗ trợ bởi phần cứng Vấn đề lựa chọn tiến trình (điều phối CPU) 23 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Swapping tiến trình (Medium-term scheduler) Nhiệm vụ Đưa t/trình ra khỏi bộ nhớ (làm giảm mức độ đa chương trình) Sau đó đưa tiến trình quay trở lại (có thể ở vị trí khác) và tiếp tục thực hiện Mục đích: Giải phóng vùng nhớ, tạo vùng nhớ tự do rộng hơn 24 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.2 Điều phối tiến trình Notes Chuyển ngữ cảnh (context switch) Chuyển CPU từ tiến trình này sang tiến trình khác (hoán đổi tiến trình thực hiện) Thực hiện khi xuất hiện tín hiệu ngắt (ngắt thời gian) hoặc tiến trình đưa ra lời gọi hệ thống (thực hiện và ra) Lưu đồ của chuyển CPU giữa các t/trình(Silberschatz 2002) 25 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 26 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes Thao tác trên tiến trình Tạo tiến trình Kết thúc tiến trình 27 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes Tạo tiến trình Tiến trình có thể tạo nhiều tiến trình mới cùng hoạt động (CreateProcess(), fork()) Tiến trình tạo: tiến trình cha Tiến trình được tạo: tiến trình con Tiến trình con có thể tạo tiến trình con khác ⇒Cây tiến trình Vấn đề phân phối tài nguyên Tiến trình con lấy tài nguyên từ hệ điều hành Tiến trình con lấy tài nguyên từ tiến trình cha Tất cả các tài nguyên Một phần tài nguyên của tiến trình cha (ngăn ngừa việc tạo quá nhiều tiến trình con) Vấn đề thực hiện Tiến trình cha tiếp tục thực hiện đồng thời với tiến trình con Tiến trình cha đợi tiến trình con kết thúc 28 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes Kết thúc tiến trình Hoàn thành câu lệnh cuối và yêu cầu HĐH xóa nó (exit) Gửi trả dữ liệu tới tiến trình cha Các tài nguyên đã cung cấp được trả lại hệ thống Tiến trình cha có thể kết thúc sự thực hiện của tiến trình con Tiến trình cha phải biết định danh tiến trình con ⇒ tiến trình con phải gửi định danh cho tiến trình cha khi được khởi tạo Sử dụng lời gọi hệ thống (abort) Tiến trình cha kết thúc tiến trình con khi Tiến trình con sử dụng vượt quá mức tài nguyên được cấp Nhiệm vụ cung cấp cho tiến trình con không còn cần thiết nữa Tiến trình cha kết thúc và hệ điều hành không cho phép tiến trình con tồn tại khi tiến trình cha kết thúc ⇒Cascading termination. VD, kết thúc hệ thống 29 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes Một số hàm với tiến trình trong WIN32 API CreateProcess( ) LPCTSTR Tên của chương trình được thực hiện LPTSTR Tham số dòng lệnh LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh t/trình LPSECURITY_ATTRIBUTES Thuộc tính an ninh luồng BOOL Cho phép kế thừa các thẻ thiết bị (TRUE/FALSE) DWORD Cờ tạo tiến trình (VD CREATE_NEW_CONSOLE) LPVOID Trỏ tới khối môi trường LPCTSTR Đường dẫn đầy đủ đến chương trình LPSTARTUPINFO Cấu trúc thông tin cho tiến trình mới LPPROCESS_INFORMATION Thông tin về tiến trình mới TerminateProcess(HANDLE hProcess, UINT uExitCode) hProcess Thẻ tiến trình bị kết thúc đóng uExitCode Mã kết thúc tiến trình 30 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes Một số hàm với tiến trình trong WIN32 API WaitForSingleObject(HANDLE hHandle, DWORD dwMs) ⇒Đợi đến khi đối tượng được báo hiệu hoặc hết thời gian hHandle Thẻ đối tượng dwMs Thời gian chờ đợi (INFINITE) Hàm WaitForSingleObject() có thể đợi các đối tượng Change notification Event Process Semaphore Thread WaitForMultipleObjects( ) DWORD nCount ← Số lượng các đối tượng đợi HANDLE *lpHandles ← Mảng chứa thẻ các đối tượng BOOL bWaitAll ← Đợi tất cả các đối tượng (TRUE) hay một đối tượng bất kỳ trong mảng thay đổi trạng thái DWORD dwMilliseconds ← Thời gian đợi 31 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.3 Thao tác trên tiến trình Notes Ví dụ #include #include int main(){ STARTUPINFO si; PROCESS_INFORMATION pi; ZeroMemory(&si, sizeof(si)); si.cb = sizeof(si); CreateProcess("Child.exe",NULL,NULL,NULL,FALSE, CREATE_NEW_CONSOLE,NULL,NULL,&si,&pi); WaitForSingleObject(pi.hProcess,10000);//INFINITE TerminateProcess(pi.hProcess, 0); CloseHandle(pi.hProcess); CloseHandle(pi.hThread); return 0; } 32 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình Notes Project 1: Tiny shell Giới thiệu Thiết kế và cài đặt một shell đơn giản (myShell) Mục đích Nghiên cứu các API quản lý tiến trình trong Windows Hiểu cách cài đặt và các thức shell làm việc Nội dung Shell nhận lệnh, phân tích và tạo tiến trình con thực hiện foreground mode: Shell phải đợi tiến trình kết thúc background mode: Shell và tiến trình thực hiện song song Shell chứa các câu lệnh quản lý tiến trình List: in ra DS tiến trình (process Id, Cmd name, status) Kill, Stop, Resume một background process Shell hiểu một số lệnh đặc biệt (exit, help, date, time, dir, ) path/addpath : xem và đặt lại biến môi trường Shell có thể nhận tín hiệu ngắt từ bàn phím để hủy bỏ foreground process đang thực hiện (CRTL+C) Shell có thể thực hiện được file *.bat 33 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình Notes Project 1: Tiny shell → Ví dụ 34 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Notes 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 35 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Notes Phân loại tiến trình Các tiến trình tuần tự Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm sau điểm kết thúc của tiến trình kia Các tiến trình song song Điểm bắt đầu của tiến trình này nằm giữa điểm bắt đầu và kết thúc của tiến trình kia Độc lập: Không ảnh hưởng tới hoặc bị ảnh hưởng bởi tiến trình khác đang thực hiện trong hệ thống Có hợp tác: Ảnh hưởng tới hoặc chịu ảnh hưởng bởi tiến trình khác đang thực hiện trong hệ thống Hợp tác tiến trình nhằm Chia sẻ thông tin Tăng tốc độ tính toán: Module hóa Tiện dụng Hợp tác tiến trình đòi hỏi cơ chế cho phép Truyền thông giữa các tiến trình Đồng bộ hóa hoạt động của các tiến trình 36 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Notes Bài toán người sản xuất (producer)-người tiêu thụ(consumer)I Hệ thống gồm 2 tiến trình Producer sản xuất ra các sản phẩm Consumer tiêu thụ các sản phẩm được sản xuất ra Ứng dụng Chương trình in (producer) sản xuất ra các ký tự được tiêu thụ bởi bộ điều khiển máy in (consumer) Trình dịch (producer) sản xuất ra mã hợp ngữ, trình hợp ngữ (consumer/producer) tiêu thụ mã hợp ngữ rồi sản xuất ra module đối tượng được bộ thực hiện (consumer) tiêu thụ Producer và Consumer hoạt động đồng thời 37 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Notes Bài toán người sản xuất (producer)-người tiêu thụ(consumer) II Sử dụng vùng đệm dùng chung (Buffer) chứa sản phẩm được điền vào bởi producer và được lấy ra bởi consumer IN Vị trí trống kế tiếp trong vùng đệm; OUT Vị trí đầy đầu tiên trong vùng đệm. Counter Số sản phẩm trong vùng đệm Producer và Consumer phải đồng bộ Consumer không cố gắng tiêu thụ một sản phẩm chưa được sản xuất Vùng đệm dung lượng vô hạn Khi Buffer rỗng, Consumer phải đợi Producer không phải đợi khi đặt sản phẩm vào buffer Vùng đệm dung lượng hữu hạn Khi Buffer rỗng, Consumer phải đợi Producer phải đợi nếu vùng đệm đầy 38 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.4 Hợp tác tiến trình Notes Bài toán người sản xuất (producer)-người tiêu thụ(consumer) III Producer while(1){ /*produce an item in nextProduced*/ while (Counter == BUFFER_SIZE) ; /*do nothing*/ Buffer[IN] = nextProduced; IN = (IN + 1) % BUFFER_SIZE; Counter++; } Consumer while(1){ while(Counter == 0) ; /*do nothing*/ nextConsumed = Buffer[OUT]; OUT =(OUT + 1) % BUFFER_SIZE; Counter ; /*consume the item in nextConsumed*/ } 39 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes 1 Tiến trình Khái niệm tiến trình Điều phối tiến trình (Process Scheduling) Thao tác trên tiến trình Hợp tác tiến trình Truyền thông liên tiến trình 40 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Trao đổi giữa các tiến trình Dùng mô hình bộ nhớ phân chia Các tiến trình chia sẻ vùng nhớ chính Mã cài đặt được viết tường minh bởi người lập trình ứng dụng Ví dụ: Bài toán Producer-Consumer Dùng mô hình truyền thông liên tiến trình (Interprocess communication) Là cơ chế cho phép các tiến trình truyền thông và đồng bộ các hoạt động Thường được sử dụng trong các hệ phân tán khi các tiến trình truyền thông nằm trên các máy khác nhau (chat) Đảm bảo bởi hệ thống truyền thông điệp 41 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Hệ thống truyền thông điệp Cho phép các tiến trình trao đổi với nhau không qua sử dụng các biến phân chia Yêu cầu 2 thao tác cơ bản Send (msg) Các msg có kích thước cố định hoặc thay đổi Cố định : dễ cài đặt mức hệ thống, nhiệm vụ lập trình khó Thay đổi: cài đặt mức hệ thống phức tạp, lập trình đơn giản Receive (msg) Nếu 2 tiến trình P và Q muốn trao đổi, chúng cần Thiết lập một liên kết truyền thông (vật lý/logic) giữa chúng Trao đổi các messages nhờ các thao tác send/receive Các vấn đề cài đặt Các liên kết được thiết lập như thế nào? Một liên kết có thể dùng cho nhiều hơn 2 tiến trình? Bao nhiêu liên kết có thể tồn tại giữa mọi cặp tiến trình? Kích thước thông báo mà liên kết chấp nhận cố định/thay đổi? Liên kết một hay hai chiều? 42 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Truyền thông trực tiếp Các tiến trình phải gọi tên tiến trình nhận/gửi một cách tường minh send (P, message) - gửi một thống báo tới tiến trình P receive(Q, message) - Nhận một thông báo từ tiến trình Q Tính chất của liên kết truyền thông Các liên kết được thiết lập tự động Một liên kết gắn chỉ với cặp tiến trình truyền thông Chỉ tồn tại một liên kết giữa cặp tiến trình Liên kết có thể là một chiều, nhưng thường hai chiều 43 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Truyền thông gián tiếp Các thông điệp được gửi/nhận tới/từ các hòm thư (mailboxes), cổng (ports) Mỗi hòm thư có định danh duy nhất Các tiến trình có thể trao đổi nếu chúng dùng chung hòm thư Tính chất các liên kết Các liên kết được thiết lập chỉ khi các tiến trình dùng chung hòm thư Một liên kết có thể được gắn với nhiều tiến trình Mỗi cặp tiến trình có thể dùng chung nhiều liên kết truyền thông Liên kết có thể một hay hai chiều Các thao tác Tạo hòm thư Gửi/nhận thông báo qua hòm thư send(A, msg): Gửi một msg tới hòm thư A receive(A, msg): Nhận một msg từ hòm thư A Hủy bỏ hòm thư 44 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Vấn đề đồng bộ hóa Truyền thông điệp có thể phải chờ đợi (blocking), hoặc không chờ đợi (non blocking) Blocking Truyền thông đồng bộ Non-blocking Truyền thông không đồng bộ Các thủ tục send() và receive() có thể bị chờ đợi hoặc không chờ đợi Blocking send Tiến trình gửi thông báo và đợi cho tới khi msg được nhận bởi tiến trình nhận hoặc bởi hòm thư Non blockking send Tiến trình gửi thông báo và tiếp tục làm việc Blocking receive Tiến trình nhận phải đợi cho tới khi có thông báo Non-blocking receive Tiến trình nhận trả về hoặc một thông báo có giá trị, hoặc một giá trị null 45 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Vùng đệm Các thông điệp trao đổi giữa các tiến trình được lưu trong hàng đợi tạm thời Hàng đợi có thể được cài đặt theo Khả năng chứa 0 (Zero capacity): Độ dài hàng đợi là 0 Không tồn tại thông điệp trong đường liên kết ⇒ Sender phải đợi cho tới khi thông điệp được nhận Khả năng chứa có giới hạn(Bound capacity) Hàng đợi có độ dài n ⇒ chứa nhiều nhất n thông điệp Nếu hàng đợi không đầy, thông điệp sẽ được lưu vào trong vùng đệm và Sender tiếp tục bình thường Nếu hàng đợi đầy, sender phải đợi cho tới khi có chỗ trống Khả năng chứa không giới hạn (Unbound capacity) Sender không bao giờ phải đợi 46 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Truyền thông trong hệ thống Client-Server Socket RPC (Remote Procedure Calls) RMI (Remote Method Invocation) Cơ chế truyền thông của Java 47 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Socket Được xem như đầu mút cho truyền thông, qua đó các ứng dụng gửi/nhận dữ liệu qua mạng Truyền thông thực hiện giữa các cặp Sockets Bao gồm cặp địa chỉ IP và cổng. Ví dụ: 161.25.19.8:1625 Địa chỉ IP: Địa chỉ của máy trong mạng Cổng (port): Định danh tiến trình tham gia trao đổi trên máy Các loại sockets Stream Socket: Dựa trên giao thức TCP/IP →Truyền dữ liệu tin cậy Datagram Socket: Dựa trên giao thức UDP/IP →Truyền dữ liệu không tin cậy Win32 API: Winsock Windows Sockets Application Programming Interface 48 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Thiết lập quá trình trao đổi dữ liệu 49 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Một số hàm trong Winsock API 32 socket() Tạo socket truyền dữ liệu bind() Định danh cho socket vừa tạo (gán cho một cổng) listen() Lắng nghe một kết nối accept() Chấp nhận một kết nối connect() kết nối với server. send() Gửi dữ liệu với stream socket. sendto() Gửi dữ liệu với datagram socket. receive() Nhận dữ liệu với stream socket. recvfrom() Nhận dữ liệu với datagram socket. closesocket() Kết thúc một socket đã tồn tại. 50 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 1. Tiến trình 1.5 Truyền thông liên tiến trình Notes Bài tập Tìm hiểu các phương pháp truyền thông Client-Server Viết chương trình giải quyết bài toán Producer-Consumer 51 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) Notes Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 52 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 53 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Ví dụ: Vector Tính toán trên vector kích thước lớn for(k = 0; k < n; k + +){ a[k] = b[k] ∗ c[k]; } Với hệ thống nhiều vi xử lý 54 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Ví dụ: Chat Process Q Vấn đề nhận Msg Process P while(1){ IBlocking Receive while(1){ Receive(P,Msg); INon-blocking Receive ReadLine(Msg); PrintLine(Msg); Send(Q,Msg); ReadLine(Msg); Giải quyết Receive(Q,Msg); Send(P,Msg); PrintLine(Msg); Thực hiện song song } Receive & Send } 55 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Chương trình - Tiến trình - Luồng Chương trình: Dãy lệnh, các biến, Tiến trình: Chương trình đang thực hiện: Stack, t/bị, VXL, Luồng: C/trình đang thực hiện trong ngữ cảnh tiến trình Nhiều processor → Nhiều luồng, mỗi luồng trên một VXL Khác nhau về giá trị các thanh ghi, nội dung stack 56 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Tiến trình đơn luồng và đa luồng Hệ điều hành truyền thống (MS-DOS, UNIX) Tiến trình có một luồng điều khiển (heavyweight process) Hệ điều hành hiện nay (Windows, Linux) Tiến trình có thể gồm nhiều luồng Có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ tại một thời điểm 57 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Ví dụ: Word processor (Tanenbaum 2001) 58 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Khái niệm luồng Là đơn vị sử dụng CPU cơ bản, gồm Định danh luồng (ID Thread) Bộ đếm chương trình (Program Computer) Tập các thanh ghi (Rigisters) Không gian stack Chia sẻ cùng các luồng khác trong cùng một tiến trình Đoạn mã lệnh Đoạn dữ liệu (đối tượng toàn cục) Các tài nguyên hệ điều hành khác (file đang mở ) Các luồng có thể thực hiện cùng đoạn mã với ngữ cảnh (Tập thanh ghi, Bộ đếm chương trình, stack) khác nhau Còn được gọi là tiến trình nhẹ (LWP: Lightweight Process) Một tiến trình có ít nhất là một luồng 59 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Tiến trình >< Luồng Tiến trình Luồng Tiến trình có đoạn mã/dữ Luồng không có đoạn dữ liệu hay liệu/heap & các đoạn khác heap riêng Phải có ít nhất một luồng trong Luồng không đứng riêng mà nằm mỗi tiến trình trong một tiến trình Các luồng trong phạm vi một tiến Có thể tồn tại nhiều luồng trong trình chia sẻ mã/dữ liệu/heap, mỗi tiến trình. Luồng đầu là luồng vào/ra nhưng có stack và tập chính và sở hữu không gian stack thanh ghi riêng của tiến trình Thao tác khởi tạo, luân chuyển Thao tác khởi tạo và luân chuyển tiến trình tốn kém luồng không tốn kém Bảo vệ tốt do có không gian điạ Không gian điạ chỉ chung, cần chỉ riêng phải bảo vệ Khi tiến trình kết thúc, các tài Luồng kết thúc, stack của nó được nguyên được đòi lại và các luồng thu hồi phải kết thúc theo 60 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Lợi ích của lập trình đa luồng Tăng tính đáp ứng với người dùng Cho phép chương trình vẫn thực hiện ngay khi một phần đang chờ đợi (block) hoặc đang thực hiện tính toán tăng cường Ví dụ trình duyệt Web (Web browser) đa luồng Một luồng tương tác với người dùng Một luồng thực hiện nhiệm vụ tải dữ liệu Chia sẻ tài nguyên Các luồng chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên của tiến trình chứa nó Tốt cho các thuật toán song song (sử dụng chung các CTDL) Trao đổi giữa các luồng thông qua bộ nhớ phân chia Cho phép một ứng dụng chứa nhiều luồng hoạt động trong cùng không gian địa chỉ Tính kinh tế Các thao tác khởi tạo, hủy bỏ và luân chuyển luồng ít tốn kém Minh họa được tính song song trên bộ đơn VXL do thời gian luân chuyển CPU nhanh (Thực tế chỉ một luồng thực hiện) Sử dụng kiến trúc nhiều vi xử lý Các luồng chạy song song thực sự trên các bộ VXL khác nhau. 61 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Lợi ích của lập trình đa luồng → Ví dụ Tính toán trên vector Mô hình đa luồng for(k = 0; k < n; k + +){ void fn(a,b) a[k] = b[k] ∗ c[k]; for(k = a; k < b; k + +){ } a[k] = b[k] ∗ c[k]; } void main(){ CreateThread(fn(0, n/4)); CreateThread(fn(n/4, n/2)); CreateThread(fn(n/2, 3n/4)); CreateThread(fn(3n/4, n)); } Câu hỏi Tạo 4 tiến trình-CreateProcess() thay cho 4 luồng-CreateThread() 62 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Cài đặt luồng Cài đặt trong không gian nhân Cài đặt trong không gian người dùng 63 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Luồng người dùng (User -Level Threads) Quản lý các luồng được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Nhân hệ thống không biết gì về sự tồn tại luồng Điều phối tiến trình như một đơn vị duy nhất Gán cho mỗi tiến trình một trạng thái duy nhất Sẵn sàng, chờ đợi, thực hiện, Chương trình ứng dụng được lập trình theo mô hình đa luồng bởi sử dụng thư viện luồng Thư viện hỗ trợ tạo, hủy bỏ, truyền thông điệp giữa các luồng, điều phối, lưu trữ, khôi phục trạng thái (context) luồng , Ưu điểm Nhanh chóng trong tạo và quản lý luồng Nhược điểm Khi một luồng rơi vào trạng thái chờ đợi, tất cả các luồng trong cùng tiến trình bị chờ đợi theo ⇒Không tận dụng được ưu điểm của mô hình lập trình đa luồng 64 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.1 Giới thiệu Notes Luồng mức hệ thống (Kernel - Level threads) Nhân duy trì thông tin về tiến trình và các luồng Quản lý luồng được thực hiện bởi nhân Không tồn tại các mã quản lý luồng trong ứng dụng Điều phối luồng được thực hiện bởi nhân, dựa trên các luồng Nhược điểm: Chậm trong tạo và quản lý luồng Ưu điểm: Một luồng chờ đợi vào ra, không ảnh hưởng tới luồng khác Trong môi trường đa VXL, nhân có thể điều phối các luồng cho các VXL khác nhau Hệ điều hành: Windows NT/2000/XP, Linux, OS/2, 65 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Notes 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 66 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Notes Giới thiệu Nhiều hệ thống hỗ trợ cả luồng mức người dùng và luồng mức hệ thống ⇒ Nhiều mô hình đa luồng khác nhau 67 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Notes Mô hình nhiều-một Ánh xạ nhiều luồng mức người dùng tới một luồng mức hệ thống Quản lý luồng được thực hiện trong không gian người dùng Hiệu quả Cho phép tạo nhiều luồng tùy ý Toàn bộ tiến trình sẽ bị khóa nếu một luồng bị khóa Không thể chạy song song trên các máy nhiều vi xử lý (Chỉ một luồng có thể truy nhập nhân tại một thời điểm) Dùng trong hệ điều hành không hỗ trợ luồng hệ thống 68 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Notes Mô hình một-một Ánh xạ mỗi luồng mức người dùng tới một luồng hệ thống Cho phép thực hiện luồng khác khi một luồng bị chờ đợi Cho phép chạy song song đa luồng trên máy nhiều vi xử lý Tạo luồng mức người dùng đòi hỏi tạo một luồng mức hệ thống tương ứng Ảnh hướng tới hiệu năng của ứng dụng Chi phi cao ⇒ Giới hạn số luồng được hệ thống hỗ trợ Được sử dụng trong Window NT/2000/XP 69 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.2 Mô hình đa luồng Notes Mô hình nhiều-nhiều Nhiều luồng mức người dùng ánh xạ tới một số nhỏ luồng mức hệ thống Số lượng luồng nhân có thể được xác định theo máy hoặc theo ứng dụng VD: Được cấp nhiều luồng nhân hơn trên hệ thống nhiều VXL Có được ưu điểm của 2 mô hình trên Cho phép tạo nhiều luồng mức ứng dụng theo yêu cầu Các luồng nhân tương ứng có thể chạy song song trên hệ nhiều VXL Một luồng bị khóa, nhân có thể cho phép luồng khác thực hiện Ví dụ: UNIX 70 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Notes 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 71 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Notes Một số hàm với luồng trong WIN32 API HANDLE CreateThread( ); LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes, ⇒Trỏ tới cấu trúc an ninh: thẻ trả về có thể được kế thừa? DWORD dwStackSize, ⇒Kích thước ban đầu của stack cho luồng mới LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, ⇒Trỏ tới hàm được thực hiện bởi luồng mới LPVOID lpParameter, ⇒Trỏ tới các biến được gửi tới luồng mới (tham số của hàm) DWORD dwCreationFlags, ⇒Phương pháp tạo luồng CREATE_SUSPENDED : Luồng ở trạng thái tạm ngừng 0: Luồng được thực hiện ngay lập tức LPDWORD lpThreadId ⇒Biến ghi nhận định danh luồng mới Kết quả trả về: Thẻ của luồng mới hoặc giá trị NULL nếu không tạo được luồng mới 72 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Notes Ví dụ #include #include void Routine(int *n){ printf("My argument is %d\n", &n); } int main(){ int i, P[5]; DWORD Id; HANDLE hHandles[5]; for (i=0;i < 5;i++) { P[i] = i; hHandles[i] = CreateThread(NULL,0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)Routine,&P[i],0,&Id); printf("Thread %d was created\n",Id); } for (i=0;i < 5;i++) WaitForSingleObject(hHandles[i],INFINITE); return 0; } 73 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Notes Java Threads Được cài đặt bởi Mở rộng lớp Thread (Thread class) Cài đặt giao diện có thể thực thi được (Runnable interface) Được quản lý bởi máy ảo Java (Java Virtual Machine) Các trạng thái có thể Tồn tại một phương thức run(), sẽ được thực hiện trên JVM Luồng được thực hiện bởi gọi phương thức start() Cung cấp vùng nhớ và khởi tạo luồng mới trong máy ảo Java Gọi tới phương thức run() 74 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.3 Cài đặt luồng với Windows Notes Ví dụ class Sum extends Thread{ int low, up, S; public Sum(int a, int b){ low = a; up = b; S= 0; System.out.println("This is Thread "+this.getId()); } public void run(){ for(int i= low; i < up; i ++) S+= i; System.out.println(this.getId()+ " : " + S); } } public class Tester { public static void main(String[] args) { Sum T1 = new Sum(1,100); T1.start(); Sum T2 = new Sum(10,200); T2.start(); System.out.println("Main process terminated"); } } 75 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Notes 2 Luồng (Thread) Giới thiệu Mô hình đa luồng Cài đặt luồng với Windows Vấn đề đa luồng 76 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Notes Ví dụ #include #include int x = 0, y = 1; void T1(){ while(1){ x = y + 1; printf("%4d", x); } } void T2(){ while(1){ y = 2; y = y * 2; } } int main(){ HANDLE h1, h2; DWORD Id; h1=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)T1,NULL,0,&Id); h2=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)T2,NULL,0,&Id); WaitForSingleObject(h1,INFINITE); WaitForSingleObject(h2,INFINITE); return 0; } 77 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Notes Kết quả thực hiện 78 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) 2.4 Vấn đề đa luồng Notes Giải thích Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 t y ← y * 2 x ←y+ 1 a t x = ? 1 y ←2 t x ←y+ 1 a t 2 y ←y*2 t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=3x=5 t chúng 79 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 2. Luồng (Thread) Notes Bài tập Cài đặt bài toán Producer-Consumer sử dụng khái niệm luồng Viết chương trình trao đổi thông báo giữa 2 máy (chat) 80 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU Notes Nội dung chính 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 81 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Notes 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 82 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Notes Giới thiệu Hệ thống có một processor → Chỉ có một tiến trình được thực hiện tại một thời điểm Tiến trình được thực hiện (chiếm dụng VXL) cho tới khi phải chờ đợi một thao tác vào ra Hệ đơn chương trình: CPU không được sử dụng ⇒Lãng phí Hệ đa chương trình: cố gắng sử dụng CPU (đang rảnh rỗi) cho các tiến trình khác (đang chờ đợi) Cần nhiều tiến trình sẵn sàng trong bộ nhớ tại một thời điểm Khi một tiến trình phải chờ, hệ điều hành lấy lại processor để phân cho tiến trình khác Điều phối processor quan trong với hệ điều hành đa nhiệm Luân chuyển CPU giữa các tiến trình → khai thác hệ thống hiệu quả hơn Điều phối processor là nền tảng trong thiết kế hệ điều hành 83 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Notes Chu kỳ thực hiện CPU - I/O Tiến trình là chuỗi luân phiên giữa chu kỳ tính toán và chờ đợi vào/ra Bắt đầu bởi chu kỳ tính toán Tiếp theo chu kỳ đợi vào/ra Tính toán→ đợi vào/ra → tính toán → đợi vào/ra → Kết thúc: Tính toán (yêu cầu hệ thống kết thúc thực hiện) Phân biệt các kiểu tiến trình Dựa trên sự phân bổ thời gian cho các chu kỳ CPU & vào/ra Tiến trình tính toán (CPU-bound process) có vài chu kỳ CPU dài Tiến trình vào ra (I/0-bound process) có nhiều chu kỳ CPU ngắn Để chọn giải thuật điều phối thích hợp 84 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Notes Bộ điều phối CPU Lựa chọn một trong số các tiến trình đang sẵn sàng trong bộ nhớ và cung cấp CPU cho nó Các tiến trình phải sắp hàng trong hàng đợi Hàng đợi FIFO, Hàng đợi ưu tiên, DSLK đơn giản Quyết định điều phối CPU xảy ra khi tiến trình 1 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái chờ đợi (y/c vào/ra) 2 Chuyển từ trạng thái thực hiện sang trạng thái sẵn sàng (hết thời gian sử dụng CPU → ngắt thời gian) 3 Chuyển từ trạng thái chờ đợi sang trạng thái sẵn sàng (hoàn thành vào/ra) 4 Tiến trình kết thúc Ghi chú Trường hợp 1&4 ⇒Điều phối không trưng dụng (non-preemptive) Trường hợp khác ⇒Điều phối trưng dụng (preemptive) 85 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.1 Các khái niệm cơ bản Notes Điều phối trưng dụng và không trưng dụng Điều phối không trưng dụng Tiến trình chiếm CPU cho tới khi giải phóng bởi Kết thúc nhiệm vụ Chuyển sang trạng thái chờ đợi Không đòi hỏi phần cứng đặc biệt (đồng hồ ) Ví dụ: DOS, Win 3.1, Macintosh Điều phối trưng dụng Tiến trình chỉ được phép thực hiện trong khoảng thời gian Kết thúc khoảng thời gian được định nghĩa trước, ngắt thời gian xuất hiện, bộ điều vận (dispatcher) được kích hoạt để quyết định hồi phục lại tiến trình hay lựa chọn tiến trình khác Bảo vệ CPU khỏi các tiến trình "đói-CPU" Vấn đề dữ liệu dùng chung Tiến trình 1 đang cập nhật DL thì bị mất CPU Tiến trình 2, được giao CPU và đọc DL đang cập nhật Ví dụ: Hệ điều hành đa nhiệm WinNT, UNIX 86 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.2 Tiêu chuẩn điều phối Notes 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 87 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.2 Tiêu chuẩn điều phối Notes Tiêu chuẩn điều phốiI Sử dụng CPU (Lớn nhất) Mục đích của điều độ là làm CPU hoạt động nhiều nhất có thể Độ sử dụng CPU thay đổi từ 40% (hệ thống tải nhẹ) đến 90% (hệ thống tải nặng). Thông lượng (throughput) (Lớn nhất) Số lượng tiến trình hoàn thành trong một đơn vị thời gian Các tiến trình dài: 1 tiến trình/giờ Các tiến trình ngắn: 10 tiến trình/giây Thời gian hoàn thành (Nhỏ nhất) Khoảng thời gian từ thời điểm gửi đến hệ thống tới khi quá trình hoàn thành Thời gian chờ đợi để đưa tiến trình vào bộ nhớ Thời gian chờ đợi trong hàng đợi sẵn sàng Thời gian chờ đợi trong hàng đợi thiết bị Thời gian thực hiện thực tế 88 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.2 Tiêu chuẩn điều phối Notes Tiêu chuẩn điều phối II Thời gian chờ đợi (Nhỏ nhất) Tổng thời gian chờ trong hàng đợi sẳn sàng (Giải thuật điều độ CPU không ảnh hưởng tới các tiến trình đang thực hiện hay đang đợi thiết bị vào ra) Thời gian đáp ứng (Nhỏ nhất) Từ lúc gửi câu hỏi cho tới khi câu trả lời đầu tiên được tạo ra Tiến trình có thể tạo kết quả ra từng phần Tiến trình vẫn tiếp tục tính toán kết quả mới trong khi kết quả cũ được gửi tới người dùng Giả thiết: Các tiến trình chỉ có một chu kỳ tính toán (ms) Đo đạc: Thời gian chờ đợi trung bình 89 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 90 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Đến trước phục vụ trước (FCFS: First Come, First Served) Nguyên tắc: Tiến trình được quyền sử dụng CPU theo trình tự xuất hiện Tiến trình sở hữu CPU tới khi kết thúc hoặc chờ đợi vào ra Ví dụ Tiến trình Thời gian P1 24 P2 3 P3 3 Đặc điểm Đơn giản, dễ thực hiện Tiến trình ngắn phải chờ đợi như tiến trình dài Nếu P1 thực hiện sau cùng ? 91 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Công việc ngắn trước (SJF: Shortest Job First) Nguyên tắc Mỗi tiến trình lưu trữ thời gian của chu kỳ sử dụng CPU tiếp theo Tiến trình có thời gian sử dụng CPU ngắn nhất sẽ sở hữu CPU Hai phương pháp Không trưng dụng CPU Có trưng dụng CPU (SRTF: Shortest Remaining Time First) Ví dụ Tiến trình Thời gian Thời điểm đến P1 8 0.0 P2 4 1.0 P3 9 2.0 P4 5 3.0 Đặc điểm SJF (SRTF) là tối ưu: Thời gian chờ đợi trung bình nhỏ nhất Không thể biết chính xác thời gian của chu kỳ sử dụng CPU Dự báo dựa trên những giá trị trước đó 92 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Điều phối có ưu tiên (Priority Scheduling) Nguyên tắc Mỗi tiến trình gắn với một sô hiệu ưu tiên (số nguyên) CPU sẽ được phân phối cho tiến trình có độ ưu tiên cao nhất SJF: độ ưu tiên gắn liền với thời gian thực hiện Hai phương pháp Không trưng dụng CPU Có trưng dụng CPU Ví dụ Tiến trình Thời gian Độ ưu tiên P1 10 3 P2 1 1 P3 2 4 P4 1 5 P5 5 2 Vấn đề "Nạn đói": Tiến trình có độ ưu tiên thấp phải chờ đợi lâu (thậm chí không được thực hiện) Giải pháp tăng dần độ ưu tiên tt theo t/gian trong hệ thống 93 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Vòng tròn (RR: Round Robin Scheduling) Nguyên tắc Mỗi tiến trình được cấp một lượng tử thời gian τ để thực hiện Khi hết thời gian, tiến trình bị trưng dụng processor và được đưa vào cuối hàng đợi sẵn sàng Nếu có n tiến trình, thời gian chờ đợi nhiều nhất (n − 1)τ Ví dụ Tiến trình Thời gian P1 24 P2 3 P3 3 Lượng tử thời gian τ = 4 ⇒ twait = 5.66 Vấn đề: Lựa chọn lượng tử thời gian τ τ lớn: FCFS τ nhỏ: Hãy phải luân chuyển CPU Thông thường τ = 10-100ms 94 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Điều phối hàng đợi đa mức (Multilevel Queue Scheduling) Hàng đợi sẵn sàng được phân chia thành nhiều hàng đợi nhỏ Tiến trình được ấn định cố định cho một hàng đợi Dựa vào tính chất như độ ưu tiên, kiểu tiến trình Mỗi hàng đợi sử dụng thuật toán điều độ riêng Cần điều phối giữa các hàng đợi Điều phối có trưng dụng, độ ưu tiên cố định Tiến trình hàng đợi độ ưu tiên thấp chỉ được thực hiện khi các hàng đợi có độ ưu tiên cao rỗng Tiến trình độ ưu tiên mức cao, trưng dụng tiến trình độ ưu tiên mức thấp Có thể gặp tình trạng starvation Phân chia thời gian giữa các hàng đợi Hàng đợi cho foreground process, chiếm 80% thời gian CPU cho RR Hàng đợi cho background process, chiếm 20% thời gian CPU cho FCFS 95 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Điều phối hàng đợi đa mức → Ví dụ 96 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Hàng đợi hồi tiếp đa mức (Multilevel Feeedback Queue) Cho phép các tiến trình được dịch chuyển giữa các hàng đợi Phân chia tiến trình theo đặc điểm sử dụng VXL Nếu dùng quá nhiều thời gian của VXL → Chuyển xuống hàng đợi có độ ưu tiên thấp Tiến trình vào ra nhiều → hàng đợi có độ ưu tiên cao Tiến trình đợi quá lâu tại hàng đợi có độ ưu tiên thấp → Chuyển lên hàng đợi độ ưu tiên cao Ngăn ngừa tình trạng "đói CPU" Được định nghĩa bởi các tham số Số hàng đợi Thuật toán điều độ cho mỗi hàng đợi Điều kiện để tiến trình được chuyển lên/xuống hàng đợi có độ ưu tiên cao/thấp hơn Phương pháp xác định một hàng đợi khi tiến trình cần phục vụ 97 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.3 Các thuật toán điều phối CPU Notes Hàng đợi hồi tiếp đa mức → Ví dụ 98 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.4 Điều phối đa xử lý Notes 3 Điều phối CPU Các khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn điều phối Các thuật toán điều phối CPU Điều phối đa xử lý 99 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU 3.4 Điều phối đa xử lý Notes Vấn đề Điều phối phức tạp hơn so với trường hợp có một VXL Vấn đề chia sẻ tải Mỗi VXL có một hàng đợi sẵn sàng riêng Tồn tại VXL rảnh rỗi với hàng đợi rỗng trong khi VXL khác phải tính toán nhiều Hàng đợi sẵn sàng dùng chung Vấn đề dùng chung cấu trúc dữ liêu (hàng đợi): →Một tiến trình được lựa chọn bởi 2 processors hoặc →Một tiến trình bị thất lạc trên hàng đợi Đa xử lý không đối xứng Chỉ có một processor truy nhập hàng đợi hủy bỏ vấn đề dùng chung cơ sở dữ liêu Có thể tắc nghẽn tại một processor 100 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU Notes Bài tập Viết chương trình mô phỏng hàng đợi hồi tiếp đa mức 101 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 3. Điều phối CPU Notes Kết luận 102 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Notes 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 103 / 220 Notes (Nguồn: Notes
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 106 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Ví dụ: Luồng song song #include #include int x = 0, y = 1; void T1(){ while(1){ x = y + 1; printf("%4d", x); } } void T2(){ while(1){ y = 2; y = y * 2; } } int main(){ HANDLE h1, h2; DWORD ThreadId; h1 = CreateThread(NULL,0,T1, NULL,0,&ThreadId); h2 = CreateThread(NULL,0,T2, NULL,0,&ThreadId); WaitForSingleObject(h1,INFINITE); WaitForSingleObject(h2,INFINITE); return 0; } 107 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Kết quả thực hiện 108 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Luồng song song Shared int y = 1 Thread T1 Thread T2 Thread A Thread B y ←2 x ←y+ 1 t y ← y * 2 x ←y+ 1 a t x = ? 1 y ←2 t x ←y+ 1 a t 2 y ←y*2 t Kết quả thực hiện các x ←y+ 1 a luồng song song phụ thuộc trật tự truy nhập biến dùng chung giữa x=2x=3x=5 t chúng 109 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Producer-Consumer Producer Consumer while(1){ while(1){ /*produce an item */ while(Counter == 0); while(Counter==BUFFER_SIZE); nextConsumed = Buffer[OUT]; Buffer[IN] = nextProduced; OUT=(OUT+1)%BUFFER_SIZE; IN = (IN+1)%BUFFER_SIZE; Counter ; Counter++; /*consume the item*/ } } Nhận xét Producer sản xuất một sản phẩm Consumer tiêu thụ một sản phẩm ⇒Số sản phẩm còn trong Buffer không thay đổi 110 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Producer-Consumer Counter++ Counter++ Counter−− Load R1, Counter Inc R1 Load R1,Counter Store Counter, R1 Load R2,Counter Inc R1 Dec R2 Store Counter, R1 Counter−− Store Counter, R2 Load R2, Counter Dec R2 RR11 ==?56 t RR22 ==?54 Store Counter, R2 Counter=5Counter=6Counter=4 111 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Định nghĩa Tài nguyên Tất cả những gì cần thiết cho thực hiện tiến trình Tài nguyên găng Tài nguyên hạn chế về khả năng sử dụng chung Cần đồng thời cho nhiều tiến trình Tài nguyên găng có thể là thiết bị vật lý hay dữ liệu dùng chung Vấn đề Dùng chung tài nguyên găng có thể dẫn đến không đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ⇒ Đòi hỏi cơ chế đồng bộ hóa các tiến trình 112 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Điều kiện cạnh tranh (Race condition) Tình trạng trong đó kết quả của việc nhiều tiến trình cùng truy nhập tới dữ liệu phân chia phụ thuộc vào trật tự của các truy nhập Làm cho chương trình không xác định Ngăn ngừa điều kiện cạnh tranh được thực hiện bởi đồng bộ hóa (synchronize) các tiến trình thực hiện đồng thời Chỉ một tiến trình truy nhập tới dữ liệu phân chia tại một thời điểm Biến counter trong v/đề Producer-Consumer Đoạn lệnh truy nhập tới dữ liệu phân chia trong các tiến trình phải thực hiện theo thứ tự xác định VD Lệnhx ←y+1 trong Thread T1 chỉ thực hiện khi cả 2 lệnh của Thread T2 đã thực hiện xong 113 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Đoạn găng (Critical section) Đoạn găng (chỗ hẹp) là đoạn chương trình sử dụng tài nguyên găng Doạn chương trình thực hiện truy nhập và thao tác trên dữ liệu dùng chung Khi có nhiều tiến trình sử dụng tài nguyên găng thì phải điều độ Mục đích: đảm bảo không có quá một tiến trình nằm trong đoạn găng 114 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Yêu cầu của chương trình điều độ Loại trừ lẫn nhau (Mutual Exclusion) Mỗi thời điểm, tài nguyên găng không phải phục vụ một số lượng tiến trình vượt quá khả năng của nó Một tiến trình đang thực hiện trong đoạn găng (sử dụng tài nguyên găng) ⇒ Không một tiến trình nào khác được quyền vào đoạn găng Tiến triển (Progress) Tài nguyên găng còn khả năng phục vụ và tồn tại tiến trình muốn vào đoạn găng, thì tiến trình đó phải được sử dụng tài nguyên găng Chờ đợi hữu hạn (Bounded Waiting) Nếu tài nguyên găng hết khả năng phục vụ và vẫn tồn tại tiến trình muốn vào đoạn găng, thì tiến trình đó phải được xếp hàng chờ đợi và sự chờ đợi là hữu hạn 115 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Quy ước Có 2 tiến trình P1&P2 thực hiện đồng thời Các tiến trình dùng chung một tài nguyên găng Mỗi tiến trình đặt đoạn găng ở đầu, tiếp theo là phần còn lại Tiến trình phải xin phép trước khi vào đoạn găng {phần vào} Tiến trình khi thoát khỏi đoạn găng thực hiện {phần ra} Cấu trúc tổng quát của một tiến trình do{ Phần vào {Đoạn găng của tiến trình} Phần ra {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 116 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.1 Khái niệm tài nguyên găng Notes Phân loại các phương pháp Các công cụ cấp thấp Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Các công cụ cấp cao Monitor 117 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Notes 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 118 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Notes Nguyên tắc Mỗi t/trình dùng một byte trong vùng nhớ chung làm khóa Tiến trình vào đoạn găng, đóng khoá (byte khóa: true) Tiến trình thoát khỏi đoạn găng, mở khóa (byte khóa: false) Tiến trình muốn vào đoạn găng: kiểm tra khóa của tiến trình còn lại Đang khóa ⇒ Đợi Đang mở ⇒ Được quyền vào đoạn găng 119 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Notes Thuật toán điều độ Share var C1,C2 Boolean // Các biến dùng chung làm khóa Khởi tạo C1 = C2 = false //Tài nguyên găng đang tự do Process P1 Process P2 do{ do{ while(C2 == true); while(C1 == true); C1 ← true; C1 ← C2 ← true; C2 ← true; true; while(C2 == true); while(C1 == true); {Đoạn găng của tiến trình P1} {Đoạn găng của tiến trình P2} C1 ← false; C2 ← false; {Phần còn lại của tiến trình P1} {Phần còn lại của tiến trình P2} }while(1); }while(1); 120 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Notes Nhận xét Điều độ chưa hợp lý Hai t/trình yêu cầu tài nguyên tại một thời điểm Vấn đề loại trừ lẫn nhau (trường hợp 1) Vấn đề tiến triển (trường hợp 2) Nguyên nhân: Do tách rời giữa Kiểm tra quyền vào đoạn găng Xác lập quyền sử dụng tài nguyên găng 121 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Notes Thuật toán Dekker Sử dụng biến turn để chỉ ra tiến trình được quyền ưu tiên Process P1 Process P2 do{ do{ C1 ← true; C2 ← true; while(C2==true){ while(C1==true){ if(turn == 2){ if(turn == 1){ C1 ← false; C2 ← false; while(turn ==2); while(turn ==1); C1 ← true; C2 ← true; } } } } {Đoạn găng của tiến trình P1} {Đoạn găng của tiến trình P2} turn = 2; turn = 1; C1 ← false; C2 ← false; {Phần còn lại của tiến trình P1} {Phần còn lại của tiến trình P2} }while(1); }while(1); 122 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.2 Phương pháp khóa trong Notes Nhận xét Điều độ hợp lý cho mọi trường hợp Không đòi hỏi sự hỗ trợ đặc biệt của phần cứng nên có thể thực hiện bằng ngôn ngữ bất kỳ Quá phức tạp khi số tiến trình và số tài nguyên tăng lên Phải chờ đợi tích cực (busy waiting) trước khi vào đoạn găng Khi chờ đợi vẫn phải thực hiện kiểm tra quyền vào đoạn găng Lãng phí thời gian của processor Ghi chú: Thuật toán có thể thực hiện sai trong một số trường hợp CPU cho phép thực hiện các lệnh không đúng trật tự Chương trình dịch thực hiện tối ưu hóa khi sinh mã Các mã bất biến bên trong vòng lặp được đưa ra ngoài 123 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Notes 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 124 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Notes Nguyên tắc Sử dụng sự hỗ trợ từ phần cứng Phần cứng cung cấp các câu lệnh xử lý không tách rời Kiểm tra và thay đổi nội dung của một word boolean TestAndSet(VAR boolean target) { boolean rv = target; target = true; return rv; } Hoán đổi nội dung của 2 word khác nhau void Swap(VAR boolean , VAR boolean b) { boolean temp = a; a = b; b = temp; } Xử lý không tách rời (atomically) Khối lệnh không thể bị ngắt trong khi đang thực hiện 125 / 220 Được gọi đồng thời, sẽ được thực hiện theo thứ tự bất kỳ Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Notes Thuật toán với lệnh TestAndSet Biến phân chia Boolean: Lock: trạng thái của tài nguyên: Bị khóa (Lock=true) Tự do (Lock=false) Khởi tạo: Lock = false ⇒ Tài nguyên tự do Thuật toán cho tiến trình Pi do{ while(TestAndSet(Lock)); {Đoạn găng của tiến trình} Lock = false; {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 126 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Notes Thuật toán với lệnh Swap Biến phân chia Lock cho biết trạng thái tài nguyên Biến địa phương cho mỗi tiến trình: Key: Boolean Khởi tạo: Lock = false ⇒ Tài nguyên tự do Thuật toán cho tiến trình Pi do{ key = true; while(key == true) swap(Lock, Key); {Đoạn găng của tiến trình} Lock = false; {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 127 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Notes Nhận xét Đơn giản, không phức tạp khi số tiến trình và số đoạn găng tăng lên Các tiến trình phải chờ đợi tích cực trước khi vào đoạn găng Luôn kiểm tra xem tài nguyên găng đã được giải phóng chưa ⇒ Sử dụng Processor không hiệu quả Không đảm bảo yêu cầu chờ đợi hữu hạn Tiến trình được vào đoạn găng tiếp theo, sẽ phụ thuộc thời điểm giải phóng tài nguyên của tiến trình đang chiếm giữ ⇒ Cần khắc phục 128 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.3 Phương pháp kiểm tra và xác lập (Test anh Set) Notes Thuật toán cho nhiều tiến trình Nguyên tắc: Tiến trình khi ra khỏi đoạn găng sẽ tìm tiến trình đang đợi để trao tài nguyên cho nó Dùng biến toàn cục Waiting[n] lưu trạng thái mỗi tiến trình Sơ đồ cho tiến trình Pi do{ Waiting[i] = true; While(Waiting[i] && TestAndSet(Lock)) ; Waiting[i] = False; {Đoạn găng của tiến trình} j = (i+1) % N; while ( (j !=i) && (! Waiting[j])) j = (j+1) % N; if (j == i) Lock = false; else Waiting[j] = false; {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 129 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 130 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Đèn báo (Semaphore) Là một biến nguyên S, khởi tạo bằng khả năng phục vụ của tài nguyên nó điều độ Số tài nguyên có thể phục vụ tại một thời điểm (VD 3 máy in) Số đơn vị tài nguyên có sẵn (VD 10 chỗ trống trong buffer) Chỉ có thể thay đổi giá trị bởi 2 thao tác cơ bản P và V Thao tác P(S) (wait(S)) wait(S) { while(S ≤ 0) no-op; S − −; } Thao tác V(S) (signal(S)) signal(S) { S + +; } Các thao tác P(S) và V(S) xử lý không tách rời Đèn báo là công cụ điều độ tổng quát 131 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Sử dụng đèn báoI Điều độ nhiều tiến trình qua đoạn găng Sử dụng biến phân chia mutex kiểu Semaphore Khởi tạo mutex bằng 1 Thuật toán cho tiến trình Pi do{ wait(mutex); {Đoạn găng của tiến trình} signal(mutex) {Phần còn lại của tiến trình} }while(1); 132 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Sử dụng đèn báo II Điều độ thứ tự thực hiện bên trong các tiến trình Hai tiến trình P1 và P2 thực hiện đồng thời P1 chứa lệnh S1, P2 chứa lệnh S2 . Yêu cầu S2 được thực hiện chỉ khi S1 thực hiện xong Sử dụng đèn báo synch được khởi tạo giá trị 0 Đoạn mã cho P1 và P2 P1 P2 Phần đầu Phần đầu S1 wait(synch) Signal(synch) S2 Phần cuối Phần cuối 133 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Hủy bỏ chờ đợi tích cực Sử dụng 2 thao tác đơn giản block() Ngừng tạm thời tiến trình đang thực hiện wakeup(P) Thực hiện tiếp t/trình P dừng bởi lệnh block() Khi tiến trình gọi P(S) và đèn báo S không dương Tiến trình phải dừng bởi gọi tới câu lệnh block() Lệnh block() đặt tiến trình vào hàng đợi gắn với đèn báo S Hệ thống lấy lại CPU giao cho tiến trình khác (điều phối CPU) Tiến trình chuyển sang trạng thái chờ đợi (waiting) Tiến trình nằm trong hàng đợi đến khi tiến trình khác thực hiện thao tác V(S) trên cùng đèn báo S Tiến trình đưa ra lời gọi V(S) Lấy một tiến trình trong hàng đợi ra (nếu có) Chuyển tiến trình lấy ra từ trạng thái chờ đợi sang trạng thái sẵn sàng và đặt lên hàng đợi sẵn sàng bởi gọi tới wakeup(P) Tiến trình mới sẵn sàng có thể trưng dụng CPU từ tiến trình đang thực hiên nếu thuật toán điều phối CPU cho phép 134 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Cài đặt đèn báo Semaphore S typedef struct{ int value; struct process * Ptr; }Semaphore; wait(S)/P(S) signal(S)/V(S) void wait(Semaphore S) { void signal(Semaphore S) { S.value−−; S.value++; if(S.value < 0) { if(S.value ≤ 0) { Thêm tiên trình vào S.Ptr Lấy ra tiến trình P từ S.Ptr block(); wakeup(P); } } } } 135 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Ví dụ điều độ running P1 P1 →P(S) P1 →V(S) runningblock P2 P2 →P(S) P2 →V(S) runningblock P3 P3 →P(S) P3 →V(S) t Semaphore S S.valueS.value = = -1-2 10 S.Ptr NULLPCB23 PCB3 136 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Nhận xét Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống phức tạp Không tồn tại hiện tượng chờ đợi tích cực Hiệu quả sử dụng phụ thuộc vào người dùng P(S) V(S) P(S) {Đoạn găng} {Đoạn găng} {Đoạn găng} V(S) P(S) P(S) Điều độ đúng Nhầm vị trí Nhầm lệnh Các phép xử lý P(S) và V(S) là không phân chia được ⇒bản thân P(S) và V(S) cũng là 2 tài nguyên găng ⇒Cũng cần điều độ. Hệ thống một VXL: Cấm ngắt khi thực hiện wait(), signal() Hệ thống nhiều vi xử lý Không thể cấm ngắt trên VXL khác Có thể dùng phương pháp khoa trong ⇒ Hiện tượng chờ đợi tích cực, nhưng thời gian chờ đợi ngắn (10 lệnh) 137 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Đối tượng Semaphore trong WIN32 API CreateSemaphore( ) : Tạo một Semaphore LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes ⇒ Trỏ tới cấu trúc an ninh, thẻ trả về được kế thừa? LONG InitialCount ⇒ Giá trị khởi tạo cho Semaphore LONG MaximumCount ⇒ Giá trị lớn nhất của Semaphore LPCTSTR lpName ⇒ Tên của Semaphore Ví dụ CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL); Trả về thẻ (HANDLE) của đối tượng Semaphore hoặc NULL WaitForSingleObject(HANDLE h, DWORD time) Giá trị Semaphore sẽ giảm đi 1. ReleaseSemaphore ( ) HANDLE hSemaphore ⇒ Thẻ của đối tượng Semaphore LONG lReleaseCount ⇒ Giá trị được tăng lên, LPLONG lpPreviousCount ⇒ Giá trị trước đó Ví dụ: ReleaseSemaphore(S, 1, NULL); 138 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Ví dụ 1 #include #include int x = 0, y = 1; HANDLE S1, S2; void T1(); void T2(); int main(){ HANDLE h1, h2; DWORD ThreadId; S1 = CreateSemaphore( NULL,0, 1,NULL); S2 = CreateSemaphore( NULL,0, 1,NULL); h1 = CreateThread(NULL,0,T1, NULL,0,&ThreadId); h2 = CreateThread(NULL,0,T2, NULL,0,&ThreadId); getch(); return 0; } 139 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Ví dụ 1 (tiếp tục) void T1(){ while(1){ WaitForSingleObject(S1,INFINITE); x = y + 1; ReleaseSemaphore(S2,1,NULL); printf("%4d",x); } } void T2(){ while(1){ y = 2; ReleaseSemaphore(S1,1,NULL); WaitForSingleObject(S2,INFINITE); y = 2 * y; } } 140 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Ví dụ 2 //Ví dụ được thực hiện trên hệ thống đa lõi #include #include #define Max 20000 #define numThreads 5 int Counter; HANDLE S; void counterThread(){ int i; for(i=0; i < Max; i++) { WaitForSingleObject(S,INFINITE); //P(S) Counter++; ReleaseSemaphore(S,1,NULL); //V(S) } } 141 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.4 Kỹ thuật đèn báo Notes Ví dụ 2 (tiếp tục) int main(){ HANDLE hThreads[numThreads]; DWORD Id; int i; S = CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL); for(i=0; i < numThreads;i++) hThreads[i] = CreateThread(NULL,0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)counterThread,NULL,0,&Id); WaitForMultipleObjects(numThreads, hThreads, TRUE, INFINITE); printf("\nKet qua : %d\n", Counter); return 0; } 142 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 143 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Một số bài toán kinh điển Người sản xuất-người tiêu thụ (Producer-Consumer) Triết gia ăn tối (Dining Philosophers) Người đọc và biên tập viên (Readers-Writers) Người thợ cắt tóc ngủ gật (Sleeping Barber) Bathroom Problem Đồng bộ theo Barriers 144 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề sản xuất-tiêu thụ 1 do{ do{ {Tạo phần tử mới} while(Counter == 0); while(Counter==SIZE); if(Counter == 0) block() if(Counter==SIZE) block(); {Lấy 1 phần tử trong Buffer {Đặt phần tử mới vào Buffer OUT=(OUT+1)%SIZE;} IN = (IN+1)%SIZE;} Counter−−; Counter++; if(Counter==SIZE-1) if(Counter==1) wakeup(Producer); wakeup(Consumer); {Xử lý phần tử vừa lấy ra} } while (1); } while (1); 145 / 220 Producer Consumer Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề sản xuất-tiêu thụ 2 Giải pháp: Dùng một đèn báo Mutex để điều độ biến Counter Khởi tạo: Mutex←1 do{ do{ {Tạo phần tử mới} if(Counter == 0) block() if(Counter==SIZE) block(); {Lấy 1 phần tử trong Buffer} {Đặt phần tử mới vào Buffer} wait(Mutex); wait(Mutex); Counter−−; Counter++; signal(Mutex); signal(Mutex); if(Counter==SIZE - 1) if(Counter==1) wakeup(Producer); wakeup(Consumer); {Xử lý phần tử vừa lấy ra} } while (1); } while (1); Producer Consumer Vấn đề: Giả thiết Counter=0 Consumer kiểm tra counter ⇒ gọi thực hiện lệnh block() Producer Tăng counter lên 1 và gọi wakeup(Consumer) Consumer chưa bị block ⇒Câu lệnh wakeup() bị bỏ qua 146 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề sản xuất-tiêu thụ 3 Giải pháp: Sử dụng 2 đèn báo full, empty được khởi tạo full ← 0 : Số phần tử trong hòm thư empty ← BUFFER_SIZE: Số chỗ trống trong hòm thư do{ do{ {Tạo phần tử mới} wait(full); wait(empty); {Lấy 1 phần tử trong Buffer} {Đặt phần tử mới vào Buffer} signal(empty); signal(full); {Xử lý phần tử vừa lấy ra} } while (1); } while (1); Producer Consumer Consumer empty = 543210-1 RunningBlocked Producer full = 0-112345 RunningBlocked IN IN IN IN IN IN OUT OUT OUT 147 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề sản xuất-tiêu thụ 4 Vấn đề: Khi có nhiều Producers và Consumers, các biến IN, OUT trở thành tài nguyên găng giữa chúng Giải quyết: Dùng đèn báo thứ 3 (mutex ← 1) để đồng bộ giữa các tiến trình cùng loại do{ do{ wait(full); {Tạo phần tử mới} wait(mutex); wait(empty); wait(mutex); wait(mutex); wait(full); {Đặt phần tử mới vào Buffer} {Lấy 1 phần tử trong Buffer} signal(mutex); signal(mutex); signal(full); signal(empty); } while (1); {Xử lý phần tử vừa lấy ra} } while (1); Producer 148 / 220 Consumer Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Người đọc và biên tập viên Nhiều tiến trình (Readers) cùng truy nhập một cơ sở dữ liệu (CSDL) Một số tiến trình (Writers) cập nhật cơ sở dữ liệu Cho phép số lượng tùy ý các tiến trình Readers cùng truy nhập CSDL Đang tồn tại một tiến trình Reader truy cập CSDL, mọi tiến trình Readers khác mới xuất hiện đều được truy cập CSDL (Tiến trình Writers phải xếp hàng chờ đợi) Chỉ cho phép một tiến trình Writers cập nhật CSDL tại một thời điểm. Vấn đề không trưng dụng. Các tiến trình ở trong đoạn găng mà không bị ngắt CÀI ĐẶT BÀI TOÁN !! 149 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Người thợ cắt tóc ngủ gật N ghế đợi dành cho khách hàng Một người thợ chỉ có thể cắt tóc cho một khách hàng tại một thời điểm Không có khách hàng đợi, thợ cắt tóc ngủ Khi một khách hàng tới Nếu thợ cắt tóc đang ngủ⇒Đánh thức anh ta dậy làm việc Nếu thợ cắt tóc đang làm việc Không còn ghế đợi trống ⇒ bỏ đi Còn ghế đợi trống⇒ Ngồi đợi TÌM HIỂU VÀ CÀI ĐẶT 150 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Bathroom Problem Thường dùng cho mục đích minh họa vấn đề phân phối tài nguyên trong nghiên cứu hệ điều hành và tính toán song song Bài toán A bathroom is to be used by both men and women, but not at the same time If the bathroom is empty, then anyone can enter If the bathroom is occupied, then only a person of the same sex as the occupant(s) may enter The number of people that may be in the bathroom at the same time is limited Yêu cầu cài đặt bài toán thỏa mãn các ràng buộc Có 2 kiểu tiến trình male() và female() Mỗi t/trình ở trong Bathroom một khoảng t/gian ngẫu nhiên CÀI ĐẶT BÀI TOÁN !! 151 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Đồng bộ barriers P1 P1 P1 P2 P2 P2 P3 P3 Barrier P3 P4 P4 P4 Các tiến trình hướng tới một Ba-ri-e chung Khi đạt tới Ba-ri-e, tất cả các tiến trình đều bị block ngoại trừ tiến trình đến cuối cùng Khi tiến trình cuối tới, đánh thức tất cả các tiến trình đang bị block và cùng vượt qua Ba-ri-e 152 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Bài toán tạo phân tử H2O Có 2 kiểu tiến trình (luồng): oxygen and hydrogen Để kết hợp các tiến trình thành một phân tử nước, cần một Ba-ri-e để các tiến trình phải đợi cho tới khi một phân tử nước sẵn sàng được tạo ra. Khi mỗi tiến trình vượt qua Ba-ri-e, nó phải kích hoạt liên kết. Tất cả các tiến trình trong cùng một phân tử nước phải tạo liên kết, trước khi một tiến trình của phân tử nước khác gọi tới thủ tục tạo liên kết H1 H4 H3 H24 H13 H2 H1 Barrier O12 O12 O1 153 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề triết gia ăn tối Bài toán đồng bộ hóa tiến trình nổi tiếng, thể hiện tình trạng nhiều tiến trình phân chia nhiều tài nguyên 5 triết gia ăn tối quanh một bàn tròn Trước mỗi triết gia là một đĩa mì Giữa 2 đĩa kề nhau là một cái dĩa (fork) Các triết gia thực hiện luân phiên, liên tục 2 việc :Ăn và Nghĩ Mỗi triết gia cần 2 cái dĩa để ăn Chỉ lấy một dĩa tại một thời điểm Cái bên trái rồi tới cái bên phải Ăn xong, triết gia để dĩa vào vị trí cũ 154 / 220Yêu cầu: viết chương trình đồng bộ bữa tối của 5 triết gia Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề triết gia ăn tối: Phương pháp đơn giản Mỗi chiếc dĩa là một tài nguyên găng, được điều độ bởi một đèn báo fork[i] Semaphore fork[5] = {1, 1, 1, 1, 1}; Thuật toán cho Triết gia Pi do{ wait(fork[i]) wait(fork[(i+1)% 5]); { Ăn} signal(fork[(i+1)% 5]); signal(fork[i]); {Nghĩ} } while (1); Nếu tất cả các triết gia cùng muốn ăn Cùng lấy chiếc dĩa bên trái (gọi tới: wait(fork[i])) Cùng đợi lấy chiếc dĩa bên phải (gọi tới: wait(fork[(i+1)%5])) 155 / 220⇒ Bế tắc (deadlock) Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề triết gia ăn tối: Giải pháp 1 Chỉ cho phép một nhà triết học lấy dĩa tại một thời điểm Semaphore mutex ← 1; Thuật toán cho Triết gia Pi do{ wait(mutex) wait(fork[i]) wait(fork[(i+1)% 5]); signal(mutex) { Ăn} signal(fork[(i+1)% 5]); signal(fork[i]); {Nghĩ} } while (1); Có thể làm cho 2 triết gia không kề nhau cùng được ăn tại một thời điểm (P1: ăn, P2: chiếm mutex⇒ P3 đợi) 156 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề triết gia ăn tối: Giải pháp 2 Thứ tự lấy dĩa của các triết gia khác nhau Triết gia số hiệu chẵn lấy dĩa trái trước Triết gia số hiệu lẻ lấy dĩa phải trước Thuật toán cho Triết gia Pi do{ j = i%2 wait(fork[(i + j)%5]) wait(fork[(i+1 - j)% 5]); { Ăn} signal(fork[(i+1 - j)% 5]); signal(fork[(i + j)%5]); {Nghĩ} } while (1); Giải quyết được vấn đề bế tắc 157 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.5. Ví dụ về đồng bộ tiến trình Notes Vấn đề triết gia ăn tối: Một số giải pháp khác Trả lại dĩa bên trái nếu không lấy được cái bên phải Kiểm tra dĩa phải sẵn sàng trước khi gọi wait(fork[(i+1)%5]) Nếu không sẵn có: trả lại dĩa trái, đợi một thời gian rồi thử lại Không bị bế tắc, nhưng không tiến triển:nạn đói (starvation) Thực hiện trong thực tế, nhưng không đảm bảo về lý thuyết Sử dụng đèn báo đồng thời PSim(S1, S2, , Sn) Thu được tất cả đèn báo cùng một thời điểm hoặc không có bất kỳ đèn báo nào Thao tác PSim(S1, S2, , Sn) sẽ block() tiến trình/luồng gọi khi có bất kỳ một đèn báo nào không thể thu được PSim(fork[i], fork[(i+1)% 5]); Thuật toán { Ăn} VSim(fork[i], fork[(i+1)% 5]); Khó cài đặt đèn báo đồng thời Giải pháp đề xuất bởi Tanenbaum (Tanenbaum 2001) Các công cụ điều độ cấp cao 158 / 220 Notes (
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Khái niệm tài nguyên găng Phương pháp khóa trong Phương pháp kiểm tra và xác lập Kỹ thuật đèn báo Ví dụ về đồng bộ tiến trình Công cụ điều độ cấp cao 160 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Giới thiệu Kỹ thuật đèn báo là cơ chế hiệu quả trong điều độ tiến trình Sử dụng đèn báo (công cụ cấp thấp) Người dùng phải biết về tài nguyên để điều độ Có phải tài nguyên găng không? Đặt các câu lệnh điều độ trong chương trình ⇒Nếu sử dụng nhầm có thể dẫn tới kết quả sai, khó gỡ rối Nhận biết và điều độ tài nguyên găng: trách nhiệm của hệ thống Công cụ thường dùng Vùng găng Monitor 161 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Monitor monitor monitorName{ Là một kiểu dữ liệu đặc biệt, được Khai báo các biến dùng chung đề nghị bởi HOARE 1974 procedure P1( ){ Bao gồm các thủ tục, dữ liệu cục bộ, đoạn mã khởi tạo } Các tiến trình chỉ có thể truy nhập tới các biến bởi gọi tới các thủ tục procedure Pn( ){ trong Monitor } Tại một thời điểm chỉ có một tiến trình được quyền sử dụng Monitor { Tiến trình khác muốn sử dụng, phải chờ đợi Mã khởi tạo } Cho phép các tiến trình đợi trong Monitor }; Sử dụng các biến điều kiện Cú pháp của Monitor (condition variable) 162 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Mô hình 163 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Biến điều kiện Thực chất là tên của một hàng đợi Khai báo: condition x, y; Các biến điều khiển chỉ có thể được sử dụng với 2 thao tác wait() Được gọi bởi các thủ tục của Monitor (Cú pháp:x.wait() hoặc wait(x)) cho phép tiến trình đưa ra lời gọi bị tạm dừng (block) cho tới khi được một tiến trình khác kích hoạt bởi gọi tới signal() signal() Được gọi bởi các thủ tục của Monitor (Cú pháp: x.signal() hoặc signal(x)) kích hoạt chính xác một tiến trình đang đợi tại biến điều kiện x (nằm trong hàng đợi x) ra tiếp tục hoạt động. Nếu không có tiến trình nào đang đợi, thao tác không có hiệu lực (bị bỏ qua) 164 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Mô hình 165 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Sử dụng Monitor: một tài nguyên chung Monitor Resource{ Condition Nonbusy; Boolean Busy // Phần dành người dùng void Acquire(){ Cấu trúc tiến trình if(busy) Nonbusy.wait(); while(1){ busy=true; } Resource.Acquire() void Release(){ {Sử dụng tài nguyên} busy=false signal(Nonbusy) Resource.Release() } // Phần khởi tạo } busy= false; Nonbusy = Empty; } 166 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 4.6 Công cụ điều độ cấp cao Notes Sử dụng Monitor: Bài toán Producer - Consumer Monitor ProducerConsumer{ ProducerConsumer M; Condition Full, Empty; int Counter ; Producer void Put(Item){ if(Counter=N) Full.wait(); while(1){ {Đặt Item vào Buffer}; Item =Sản phẩm mới Counter++; M.Put(Item) if(Counter=1)Empty.signal() } } void Get(Item){ if(Counter=0) Empty.wait() {Lấy Item từ Buffer}; Consumer Counter ; while(1){ if(Counter=N-1)Full.signal() M.Get(&Item) } {Sử dụng Msg} Counter=0; Full, Empty = Empty; } } 167 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 4. Tài nguyên găng và điều độ tiến trình Notes Kết luận 168 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc Notes 1 Tiến trình 2 Luồng (Thread) 3 Điều phối CPU 4 Tài nguyên găng và điều độ tiến trình 5 Bế tắc và xử lý bế tắc 169 / 220 Notes (Nguồn: internet) Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.1 Khái niệm bế tắc Notes 5 Bế tắc và xử lý bế tắc Khái niệm bế tắc Điều kiện xảy ra bế tắc Các phương pháp xử lý bế tắc Phòng ngừa bế tắc Phòng tránh bế tắc Nhận biết và khắc phục 171 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.1 Khái niệm bế tắc Notes Giới thiệu Hệ thống gồm nhiều tiến trình hoạt động đồng thời cùng sử dụng tài nguyên Tài nguyên có nhiều loại (VD: CPU, bộ nhớ, ). Mỗi loại tài nguyên có nhiều đơn vị (VD: 2 CPU, 5 máy in ) Mỗi tiến trình thường gồm dãy liên tục các thao tác Đòi hỏi tài nguyên: Nếu tài nguyên không có sẵn (đang được s/dụng bởi tiến trình khác) ⇒ tiến trình yêu cầu phải đợi Sử dụng tài nguyên theo yêu cầu (in ấn, đọc dữ liệu ) Giải phóng tài nguyên được cấp Khi các tiến trình dùng chung ít nhất 2 tài nguyên, hệ thống có thể gặp "nguy hiểm" Xét ví dụ: Hệ thống có hai tiến trình P1 & P2 Hai tiến trình P1 & P2 dùng chung hai tài nguyên R1 & R2 R1 được điều độ bởi đèn báo S1 (S1 ← 1) R2 được điều độ bởi đèn báo S2 (S2 ← 1) 172 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.1 Khái niệm bế tắc Notes Ví dụ P(S1) Tiến trình P Tiến trình P P(S2) 1 2 {Sử dụng R1&R2} P(S ) V (S1) 1 V (S2) P(S12) P(S ) block() Tiến trình P 2 1 block() P2đợi R1 Sử dụng R1&R2 P(S1) P1đợi R2 P(S1) V(S1) block() P(S2) wakeup(P2) P2P(đợiS2R) 1 block() P(S2) V(S ) 2 P đợi R P(S1) wakeup(DeadlockP ) 2 2 2 Sử dụng R1&R2 {Sử dụng R1&R2} t V (S1) V (S2) Tiến trình P 2 SS11==−101 SS22==−101 173 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.1 Khái niệm bế tắc Notes Định nghĩa Bế tắc là tình trạng Hai hay nhiều tiến trình cùng chờ đợi một sự kiện nào đó xảy ra Nếu không có sự tác động gì từ bên ngoài, thì sự chờ đợi đó là vô hạn 174 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes 5 Bế tắc và xử lý bế tắc Khái niệm bế tắc Điều kiện xảy ra bế tắc Các phương pháp xử lý bế tắc Phòng ngừa bế tắc Phòng tránh bế tắc Nhận biết và khắc phục 175 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes Điều kiện cần Cần có 4 điều kiện sau, không được thiếu điều kiện nào Có tài nguyên găng Tài nguyên được sử dụng theo mô hình không phân chia được Chỉ có một tiến trình dung tài nguyên tại một thời điểm Tiến trình khác cũng yêu cầu tài nguyên ⇒ yêu cầu phải được hoãn lại tới khi tài nguyên được giải phóng Chờ đợi trước khi vào đoạn găng Tiến trình không được vào đoạn găng phải xếp hàng chờ đợi. Trong khi chờ đợi vẫn chiếm giữ các tài nguyên được cung cấp Không có hệ thống phân phối lại tài nguyên găng Tài nguyên không thể được trưng dụng Tài nguyên được giải phỏng chỉ bởi tiến trình đang chiếm giữ khi đã hoàn thành nhiệm vụ Chờ đợi vòng tròn Tồn tại tập các tiến trình {P0, P2, , Pn} đang đợi nhau theo kiểu: P0 → R1 → P1; P1 → R2 → P2; Pn−1 → Rn → Pn; Pn → R0 → P0 Chờ đợi vòng tròn tạo ra chu trình không kết thúc 176 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes Ví dụ: Bài toán triết gia ăn tối Tài nguyên găng Chờ đợi trước khi vào đoạn găng Trưng dụng tài nguyên găng Chờ đợi vòng tròn 177 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes Đồ thị cung cấp tài nguyên (Resource Allocation Graph) Dùng để mô hình hóa tình trạng bế tắc trong hệ thống Là độ thị định hướng gồm tập đỉnh V và tập cung E Tập đỉnh V được chia thành 2 kiểu đỉnh P = {P1, P2, Pn} Tập chứa tất cả các tiến trình trong hệ thống R = {R1, R2, Rm} Tập chứa tất cả các kiểu tài nguyên trong hệ thống Tập các cung E gồm 2 loại Cung yêu cầu: đi từ tiến trình Pi tới tài nguyên Rj : Pi → Rj Cung sử dụng: Đi từ tài nguyên Rj tới tiến trình Pi : Rj → Pi Khi một tiến trình Pi yêu cầu tài nguyên Rj 1 Cung yêu cầu Pi → Rj được chèn vào đồ thị 2 Nếu yêu cầu được thỏa mãn, cung yêu cầu chuyển thành cung sử dung Rj → Pi 3 Khi tiến trình Pi giải phóng tài nguyên Rj , cung sử dụng Rj → Pi bị xóa khỏi đồ thị 178 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes Đồ thị cung cấp tài nguyên : Biểu diễn đồ trong đồ thị Đỉnh kiểu tiến trình được thể hiện bằng hình tròn P Đỉnh kiểu tài nguyên được thể hiện bằng hình chữ nhật Mỗi đơn vị của kiểu tài nguyên được R biểu thị bằng một dấu chấm trong hình chữ nhật Cung yêu cầu đi từ đỉnh tiến trình tới P R đỉnh tài nguyên Cung sử dụng xuất phát từ dấu chấm bên trong đỉnh tài nguyên tới đỉnh tiến P R trình 179 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes Đồ thị cung cấp tài nguyên : Ví dụ Trạng thái hệ thống R2 R3 3 tiến trình P1, P2, P3 4 tài nguyên R1, R2, R3, R4 P3 yêu cầu tài nguyên R4 Xuất hiện cung yêu cầu P3 → R4 Cung yêu cầu P3 → R4 chuyển thành cung sử dụng R4 → P3 P1 P2 P3 P3 Giải phóng tài nguyên R4 Cung sử dụng R4 → P3 bị xóa khỏi đồ thị P3 yêu cầu tài nguyên R1 R1 Xuất hiện cung yêu cầu P3 → R1 R4 Trên đồ thị xuất hiện chu trình Hệ thống bế tắc Chu trình trên đồ thị và tình trạng bế tắc có liên quan? 180 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.2 Điều kiện xảy ra bế tắc Notes Đồ thị cung cấp tài nguyên : Lập luận cơ bản Đồ thị có chu trình nhưng hệ thống không bế tắc P3 R1 P1 P2 R2 Đồ thị không chứa chu trình, không bế tắc Nếu đồ thị chứa đựng chu trình Nếu tài nguyên chỉ có 1 đơn vị ⇒ Bế tắc Nếu tài nguyên có nhiều hơn 1 đơn vị: có khả năng bế tắc 181 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.3 Các phương pháp xử lý bế tắc Notes 5 Bế tắc và xử lý bế tắc Khái niệm bế tắc Điều kiện xảy ra bế tắc Các phương pháp xử lý bế tắc Phòng ngừa bế tắc Phòng tránh bế tắc Nhận biết và khắc phục 182 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.3 Các phương pháp xử lý bế tắc Notes Phương pháp 1 Phòng ngừa Áp dụng các biện pháp để đảm bảo hệ thống không bao giờ rơi vào tình trạng bế tắc Tốn kém Áp dụng cho hệ thống hay xảy ra bế tắc và tổn thất do bế tắc gây ra lớn 2 Phòng tránh Kiểm tra từng yêu cầu tài nguyên của tiến trình và không chấp nhận yêu cầu nếu việc cung cấp tài nguyên có khả năng dẫn đến tình trạng bế tắc Thường yêu cầu các thông tin phụ trợ Áp dụng cho hệ thống ít xảy ra bế tắc nhưng tổn hại lớn 3 Nhận biết và khắc phục Cho phép hệ thống hoạt động bình thường ⇒có thể rơi vào tình trạng bế tắc Định kỳ kiểm tra xem bế tắc có đang xảy ra không Nếu đang bế tắc, áp dụng các biện pháp loại bỏ bế tắc 183 / 220 Áp dụng cho hệ thống ít xảy ra bế tắc và thiệt hại không lớn
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes 5 Bế tắc và xử lý bế tắc Khái niệm bế tắc Điều kiện xảy ra bế tắc Các phương pháp xử lý bế tắc Phòng ngừa bế tắc Phòng tránh bế tắc Nhận biết và khắc phục 184 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes Nguyên tắc Tác động vào 1 trong 4 điều kiện cần của bế tắc để nó không xảy ra Tài nguyên găng Chờ đợi trước khi vào đoạn găng Trưng dụng tài nguyên găng Chờ đợi vòng tròn 185 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes Điều kiện tài nguyên găng Giảm bớt mức độ găng của hệ thống Tài nguyên phân chia được (file chỉ đọc): Sử dụng đồng thời Tài nguyên không phân chia được: Sử dụng không đồng thời Kỹ thuật SPOOL(Simultaneous peripheral operation on-line) Không phân phối tài nguyên khi không thực sự cần thiết Chỉ một số ít tiến trình có khả năng yêu cầu tài nguyên P1 P2 Chỉ printer daemon mới làm việc với máy in ⇒ Bế tắc cho tài nguyên máy in bị hủy bỏ Printer daemon Không phải tài nguyên nào cũng dùng kỹ thuật SPOOL được Virtual printer 186 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes Điều kiện chờ đợi trước khi vào đoạn găng Nguyên tắc: Đảm bảo môt tiến trình xin tài nguyên chỉ khi không sở hữu bất kỳ tài nguyên nào khác Cung cấp trước Tiến trình xin toàn bộ tài nguyên ngay từ đầu và chỉ thực hiện khi đã có đầy đủ tài nguyên Hiệu quả sử dụng tài nguyên thấp Tiến trình chỉ sử dụng tài nguyên ở giai đoạn cuối? Tổng số tài nguyên đòi hỏi vượt quá khả năng của hệ thống? Giải phóng tài nguyên Tiến trình giải phóng tất cả tài nguyên trước khi xin (xin lại) tài nguyên mới Nhận xét Tốc độ thực hiện tiến trình chậm Phải đảm bảo dữ liệu được giữ trong tài nguyên tạm giải phóng không bị mất 187 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes Điều kiện chờ đợi trước khi vào đoạn găng: minh họa Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Băng từ Tiến trình gồm 2 giai đoạn Sao chép dữ liệu từ băng từ sang một file trên đĩa từ Sắp xếp dữ liệu trong file và đưa ra máy in Phương pháp cung cấp trước Xin cả băng từ, file trên đĩa và máy in Lãng phí máy in giai đoạn đầu, băng từ giai đoạn cuối Phương pháp giải phóng tài nguyên Xin băng từ và file trên đĩa cho giai đoạn 1 Giải phóng băng từ và file trên đĩa Xin file trên đĩa và máy in cho giai đoạn 2(Nếu không được?) 188 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes Điều kiện trưng dụng tài nguyên găng Nguyên tắc: cho phép trưng dụng tài nguyên khi cần thiết Tiến trình Pi xin tài nguyên Rj F Rj sẵn có: Cung cấp Rj cho Pi F Rj không sẵn: (Rj bị chiếm bởi tiến trình Pk ) Pk đang đợi tài nguyên Trưng dụng Rj từ Pk và cung cấp cho Pi theo yêu cầu Thêm Rj vào danh sách các tài nguyên đang thiếu của Pk Pk được thực hiện trở lại khi ♣ Có được tài nguyên đang thiếu ♣ Đòi lại được Rj Pk đang thực hiện Pi phải đợi (không giải phóng tài nguyên) Cho phép trưng dụng tài nguyên nhưng chỉ khi cần thiết Chỉ áp dụng cho các tài nguyên có thể lưu trữ và khôi phục trạng thái dễ dàng (CPU, không gian nhớ ). Khó có thể áp dụng cho các tài nguyên như máy in Một tiến trình bị trưng dụng nhiều lần ? 189 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.4 Phòng ngừa bế tắc Notes Điều kiện chờ đợi vòng tròn Đặt ra một thứ tự toàn cục của tất cả các kiểu tài nguyên R = {R1, R2, Rn} Tập tất cả các kiểu tài nguyên Xây dựng hàm trật tự f : R → N Hàm f được xây dựng dựa trên trật tự sử dụng các tài nguyên ? f(Băng từ) = 1 ? f( Đĩa từ) = 5 ? f(Máy in) = 12 Tiến trình chỉ được yêu cầu tài nguyên theo trật tự tăng Tiến trình chiếm giữ tài nguyên kiểu Rk chỉ được xin tài nguyên kiểu Rj thỏa mãn f (Rj ) > f (Rk ) Tiến trình yêu cầu tới tài nguyên Rk sẽ phải giải phóng tất cả tài nguyên Ri thỏa mãn điều kiện f (Ri ) ≥ f (Rk ) Chứng minh Giả thiết bế tắc xảy ra giữa các tiến trình {P1, P2, Pm} R1 → P1 → R2 → P2 ⇒ f (R1) < f (R2) R2 → P2 → R3 → P3 ⇒ f (R2) < f (R3) Rm → Pm → R1 → P1 ⇒ f (Rm) < f (R1) f (R1) < f (R2) < . . . < f (Rm) < f (R1) ⇒Vô lý 190 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes 5 Bế tắc và xử lý bế tắc Khái niệm bế tắc Điều kiện xảy ra bế tắc Các phương pháp xử lý bế tắc Phòng ngừa bế tắc Phòng tránh bế tắc Nhận biết và khắc phục 191 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ P1 P(S1) P(S2) SS11==−101 sử dụng R1 yêusử dụng cầuRR22 t yêusử dụng cầuRR22 yêu cầuR1 Deadlock Block(P2) P2 P(S2) P(S1) SS22==−101 Nhận xét: Biết được chuỗi yêu cầu/giải phóng tài nguyên của các tiến trình, hệ thống có thể đưa ra được chiến lược phân phối tài nguyên (chấp thuận hay phải đợi) cho mọi yêu cầu để bế tắc không xảy ra. 192 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Nguyên tắc Phải biết trước các thông tin về tiến trình và tài nguyên Tiến trình phải khai báo lượng tài nguyên lớn nhất mỗi loại sẽ yêu cầu khi thực hiện Quyết định dựa trên kết quả kiểm tra trạng thái cung cấp tài nguyên (Resource-Allocation State) -Trạng thái hệ thống Trạng thái cung cấp tài nguyên xác định bởi các thông số Số đơn vị tài nguyên có sẵn trong hệ thống Số đơn vị tài nguyên đã được cấp cho mỗi tiến trình Số đơn vị tài nguyên lớn nhất mỗi tiến trình có thể yêu cầu Nếu hệ thống an toàn, sẽ đáp ứng cho yêu cầu Thực hiện kiểm tra mỗi khi nhận được yêu cầu tài nguyên Mục đích: Đảm bảo trạng thái hệ thống luôn an toàn Thời điểm ban đầu (chưa c/cấp tài nguyên), hệ thống an toàn Hệ thống chỉ cung cấp tài nguyên khi vẫn đảm bảo an toàn ⇒Hệ thống chuyển từ trạng thái an toàn này sang trạng thái an toàn khác Trạng thái an toàn của hệ thống là gì? 193 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Trạng thái an toàn Trạng thái của hệ thống là an toàn khi Có thể cung cấp tài nguyên cho từng tiến trình (đến yêu cầu lớn nhất) theo một trật tự nào đấy mà không xảy ra bế tắc Tồn tại chuỗi an toàn của tất cả các tiến trình 194 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Chuỗi an toàn Chuỗi tiến trình P={P1, P2, , Pn} là an toàn nếu Với mỗi tiến trình Pi , mọi yêu cầu tài nguyên trong tương lai đều có thể đáp ứng nhờ vào Lượng tài nguyên hiện có trong hệ thống Tài nguyên đang chiếm giữ bởi tất cả các tiến trình Pj (j < i) Trong chuỗi an toàn, khi Pi yêu cầu tài nguyên Nếu không thể đáp ứng ngay lập tức, Pi đợi cho tới khi Pj kết thúc (j < i) Khi Pj kết thúc và giải phóng tài nguyên, Pi sẽ nhận được tài nguyên cần thiết, thực hiện, giải phóng các tài nguyên đã được cung cấp và kết thúc Trong chuỗi an toàn Khi Pi kết thúc và giải phóng tài nguyên ⇒ Pi+1 sẽ nhận được tài nguyên cần thiêt và kết thúc được Tất cả các tiến trình trong chuỗi an toàn đều kết thúc được 195 / 220Lưu ý: P1 chỉ có thể kết thúc bởi tài nguyên hệ thống đang có
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ minh họa Xem xét hệ thống gồm 3 tiến trình P1, P2, P3 và 1 tài nguyên R có 12 đơn vị Các tiến trình (P1, P2, P3) có thể yêu cầu tối đa tới (10, 4, 9) đơn vị tài nguyên R Tại thời điểm t0, các tiến trình (P1, P2, P3) đã được cấp (5, 2, 2) đơn vị tài nguyên R 196 / 220 Tại thời điểm hiện tại (t0) hệ thống có an toàn? Hệ thống đã cấp (5 + 2 + 2) đơn vị, vậy còn lại 3 đơn vị Các tiến trình (P1, P2, P3) còn có thể yêu cầu (5, 2, 7) đơn vị Với 3 đơn vị hiện có, mọi yêu cầu của P2 đều đáp ứng được ⇒ P2 chắc chắn kết thúc được và sẽ giải phóng 2 đơn vị R Với 3 + 2 đơn vị, P1 chắc chắn kết thúc,sẽ giải phóng 5 đơn vị Với 3 + 2 + 5 đơn vị P3 chắc chắn kết thúc được Ở thời điểm t0 các tiến trình P1, P2, P3 đều chắc chắn kết thúc ⇒ hệ thống an toàn với dãy an toàn (P2, P1, P3) Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránhTại bế tắcthời điểm t1, tiến trình P3 yêu cầu và được cấp 1 đơn vị tài Notes Phòngnguyên tránhR bế. Hệ tắc thống có an toàn? Với 2 đơn vị hiện có, mọi yêu cầu của P2 đều đáp ứng được ⇒ P2 chắc chắn kết thúc, giải phóng 2 đơn vị R Nhận xétKhi P2 kết thúc số tài nguyên sẵn có trong hệ thống là 4 HệVới thống 4 đơn an vị toàn tài nguyên,⇒ Các tiếnP1 và trìnhP3 đều có thể phảikết thúc đợi khiđược xin thêm 5 đơn vị tài nguyên ⇒ không xảy ra bế tắc Vậy hệ thống không an toàn với dãy (P1, P3) Hệ thống không an toàn ⇒ Có khả năng xảy ra bế tắc Nhận xét: Tại thời điểm t1 nếu tiến trình P3 phải đợi khi yêu Phươngcầu thêm pháp 1 đơn vị tài nguyên, bế tắc sẽ được loại trừ Không để hệ thống rơi vào tình trạng không an toàn Kiểm tra mọi yêu cầu tài nguyên Nếu hệ thống vẫn an toàn khi cung cấp ⇒ Cung cấp Nếu hệ thống không an toàn khi cung cấp ⇒ Phải đợi Thuật toán Thuật toán dựa vào đồ thị cung cấp tài nguyên Thuật toán người quản lý nhà băng 197 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Thuật toán dựa vào đồ thị cung cấp tài nguyên Sử dụng khi mỗi kiểu tài nguyên chỉ có 1 đơn vị Có chu trình, sẽ có bế tắc Thêm vào đồ thị loại cung mới: cung đòi hỏi Pi → Rj Cùng hướng với cung yêu cầu, thể hiện trong đồ thị −− > Cho biết Pi có thể yêu cầu Rj trong tương lai Tiến trình khi tham gia hệ thống, phải thêm tất cả các cung đòi hỏi tương ứng vào đồ thị Khi Pi yêu cầu Rj , cung đòi hỏi Pi → Rj chuyển thành cung yêu cầu Pi → Rj Khi Pi giải phóng Rj , cung sử dụng Rj → Pi chuyển thành cung đòi hỏi Pi → Rj Thuật toán: Yêu cầu tài nguyên Rj của tiến trình Pi được thỏa mãn chỉ khi việc chuyển cung yêu cầu Pi → Rj thành cung sử dụng Rj → Pi không tạo chu trình trên đồ thị Không chu trình: Hệ thống an toàn Có chu trình: Việc cung cấp tài nguyên đẩy hệ thống vào tình 198 / 220 trạng không an toàn
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ Hệ thống: 2 tiến trình P1, P2 và 2 tài nguyên R1, R2, mỗi loại 1 đơn vị P1 có thể xin R1, R2 trong tương lai R1 P1 có thể xin R1, R2 trong tương lai P1 yêu cầu tài nguyên R1 Cung đòi hỏi trở thành cung yêu cầu Yêu cầu của P1 được đáp ứng Cung yêu cầu thành cung sử dụng P1 P2 P2 yêu cầu tài nguyên R2 ⇒ cung đòi hỏi trở thành cung yêu cầu P2 → R2 Nếu đáp ứng ⇒Cung yêu cầu thành cung sử dụng ⇒ Khi P1 yêu cầu R2 ⇒ P1 phải đợi R2 ⇒ Khi P2 yêu cầu R1 ⇒ P2 phải đợi Hệ thống bế tắc Yêu cầu của P2 không được đáp ứng 199 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Thuật toán người quản lý nhà băng: Giới thiệu Thích hợp cho các hệ thống gồm các kiểu tài nguyên có nhiều đơn vị Một tiến trình mới xuất hiện trong hệ thống cần khai báo số đơn vị lớn nhất của mỗi kiểu tài nguyên sẽ sử dụng Không được vượt quá tổng số tài nguyên của hệ thống Khi một tiến trình yêu cầu tài nguyên, hệ thống kiểm tra liệu đáp ứng cho yêu cầu hệ thống có còn an toàn không Nếu hệ thống vẫn an toàn ⇒ Cung cấp tài nguyên cho yêu cầu Nếu hệ thống không an toàn ⇒ Tiến trình phải đợi Thuật toán cần Các cấu trúc dữ liệu biểu diễn trạng thái phân phối tài nguyên Thuật toán kiểm tra tình trạng an toàn của hệ thông Thuật toán yêu cầu tài nguyên 200 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Các cấu trúc dữ liệuI Hệ thống n số tiến trình trong hệ thống m số kiểu tài nguyên trong hệ thống Các cấu trúc dữ liệu Available Vector chiều dài m cho biết số đơn vị tài nguyên sẵn có trong hệ thống. (Available[3] = 8 ⇒?) Max Ma trận n ∗ m cho biết số lượng lớn nhất mỗi kiểu tài nguyên của từng tiến trình. (Max[2,3] = 5 ⇒?) Allocation Ma trận n ∗ m cho biết số lượng mỗi kiểu tài nguyên đã cấp cho tiến trình. (Allocation[2,3] = 2 ⇒?) Need Ma trận n ∗ m chỉ ra số lượng mỗi kiểu tài nguyên còn cần đến của từng tiến trình. Need[2,3] = 3 ⇒?) Need[i][j] = Max[i][j] - Allocation[i][j] 201 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Các cấu trúc dữ liệu II Quy ước X, Y là các vector độ dài n X ≤ Y ⇔ X [i] ≤ Y [i] ∀i = 1, 2, , n Các dòng của ma trận Max,Yêu cầu, Cung cấp được xử lý như các vector Thuật toán tính toán trên các vector Các cấu trúc cục bộ Work vector độ dài m cho biết mỗi tài nguyên còn bao nhiêu Finish vector độ dài n, kiểu logic cho biết tiến trình có chắc chắn kết thúc không 202 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Thuật toán kiểm tra An toàn BOOL Safe(Current Resource-Allocation State){ Work←Available for (i : 1 → n) Finish[i]←false flag← true While(flag){ flag←false for (i : 1 → n) do if(Finish[i]=false AND Need[i] ≤Work){ Finish[i]← true Work ← Work+Allocation[i] flag← true }//endif }//endwhile for (i : 1 → n) if (Finish[i]=false)return false return true; }//End function 203 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ minh họa Xét hệ thống gồm 5 tiến trình P0, P1, P2, P3, P4 và 3 tài nguyên R0, R1, R2 Tài nguyên R0 có 10 đơn vị, R1 có 5 đơn vị, R2 có 7 đơn vị Yêu cầu tài nguyên lớn nhất và lượng tài nguyên đã cấp của mỗi tiến trình R0 R1 R2 R0 R1 R2 P0 7 5 3 P0 0 1 0 P1 3 2 2 P1 2 0 0 P2 9 0 2 P2 3 0 2 P3 2 2 2 P3 2 1 1 P4 4 3 3 P4 0 0 2 Max Allocation Hệ thống có an toàn? Tiến trình P1 yêu cầu thêm 1 đơn vị R0 và 2 đơn vị R2? Tiến trình P4 yêu cầu thêm 3 đơn vị R0 và 3 đơn vị R1? Tiến trình P0 yêu cầu thêm 2 đơn vị R1. Cung cấp? 204 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ minh họa : Kiểm tra tính an toàn Số tài nguyên còn sẵn trong hệ thống (R0, R1, R2) =(3, 3, 2) Yêu cầu còn lại của mỗi tiến trình (Need = Max - Allocation) R0 R1 R2 R0 R1 R2 R0 R1 R2 P0 7 5 3 P0 0 1 0 P0 7 4 3 P1 3 2 2 P1 2 0 0 P1 1 2 2 P2 9 0 2 P2 3 0 2 P2 6 0 0 P3 2 2 2 P3 2 1 1 P3 0 1 1 P4 4 3 3 P4 0 0 2 P4 4 3 1 Max Allocation Need Thực hiện thuật toán an toàn Tiến trình P0 P1 P2 P3 P4 Finish F FTFFF FTF FT Work (3, 3, 2) (5, 3, 2) (7, 4, 3) (7, 4, 5) (7, 5, 5) (10, 5, 7) Hệ thống an toàn (P1, P3, P4, P0, P2) 205 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Thuật toán yêu cầu tài nguyên Request[i] Vector yêu cầu tài nguyên của tiến trình Pi Request[3,2] = 2: Tiến trình P3 yêu cầu 2 đơn vị tài nguyên R2 Khi Pi yêu cầu tài nguyên, hệ thống thực hiện 1 if(Request[i]>Need[i]) Error(Yêu cầu vượt quá khai báo tài nguyên) 2 if(Request[i]>Available) Block(Không đủ tài nguyên, tiến trình phải đợi) 3 Thiết lập trạng thái phân phối tài nguyên mới cho hệ thống Available = Available - Request[i] Allocation[i] = Allocation[i] + Request[i] Need[i] = Need[i] - Request[i] 4 Phân phối tài nguyên dựa trên kết quả kiểm tra tính an toàn của trạng thái phân phối tài nguyên mới if(Safe(New Resource Allocation State)) Phân phối cho Pi theo yêu cầu else Tiến trình Pi phải đợi Khôi phục lại trạng thái cũ (Available, Allocation,Need) 206 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ minh họa : P1 yêu cầu (1, 0, 2) Request[1]≤Available ((1, 0, 2) ≤ (3, 3, 2)) ⇒ Có thể cung cấp Nếu cung cấp : Available = ( 2 , 3, 0) R0 R1 R2 R0 R1 R2 P0 0 1 0 P0 7 4 3 P1 3 0 2 P1 0 2 0 P2 3 0 2 P2 6 0 0 P3 2 1 1 P3 0 1 1 P4 0 0 2 P4 4 3 1 Allocation Need Thực hiện thuật toán an toàn Tiến trình P0 P1 P2 P3 P4 Finish F FTFFF FTF FT Work (2, 3, 0) (5, 3, 2) (7, 4, 3) (7, 4, 5) (7, 5, 5) (10, 5, 7) Yêu cầu được chấp nhận 207 / 220
Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.5 Phòng tránh bế tắc Notes Ví dụ minh họa (tiếp tục) Tiến trình P4 yêu cầu thêm 3 đơn vị R0 và 3 đơn vị R2 Request[4] = (3, 0, 3) Available = (2, 3, 0) ⇒ Không đủ tài nguyên, P4 phải đợi Tiến trình P0 yêu cầu thêm 2 đơn vị R1 Request[0]≤Available ((0, 2, 0) ≤ (2, 3, 0)) ⇒ Có thể cung cấp Nếu cung cấp : Available = (2 , 1, 0) Thực hiện thuật toán an toàn ⇒ Tất cả các tiến trình đều có thể không kết thúc ⇒ Nếu chấp nhận, hệ thống rơi vào trạng thái không an toàn ⇒ Đủ tài nguyên nhưng không cung cấp. P0 phải đợi 208 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.6 Nhận biết và khắc phục Notes 5 Bế tắc và xử lý bế tắc Khái niệm bế tắc Điều kiện xảy ra bế tắc Các phương pháp xử lý bế tắc Phòng ngừa bế tắc Phòng tránh bế tắc Nhận biết và khắc phục 209 / 220 Chương 2: Quản lý tiến trình 5. Bế tắc và xử lý bế tắc 5.6 Nhận biết và khắc phục Notes Giới thiệu Nguyên tắc Không áp dụng các biện pháp phòng ngừa hoặc phòng tránh, để cho bế tắc xảy ra Định kỳ kiểm tra xem bế tắc có đang xảy ra không. Nếu có tìm cách khắc phục Để thực hiện, hệ thống phải cung cấp Thuật toán xác định hệ thống đang bế tắc không Thuật toán chữa bế tắc Nhận biết bế tắc Thuật toán dựa trên đồ thị cung cấp tài nguyên Thuật toán chỉ ra bế tắc tổng quát Khắc phục bế tắc Kết thúc tiến trình Trưng dụng tài nguyên 210 / 220